JP2013192357A - 電気機器の巻線体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線体のコイルの中心部にまで隙間無く、充分に絶縁ワニスを充填させることにより、絶縁性、放熱性に優れた電気機器の巻線体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】鉄心１１と鉄心１１に素線２を巻き回して構成したコイル１２とを備えた電気機器の巻線体１において、コイル１２は、素線２が撥液剤により撥液加工された上層部と、撥液加工されていない下層部とを有し、コイル１２全体が絶縁ワニス６によって含浸加工されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般産業用及び民生用モータ、発電機などの電気機器に使用する巻線体であって、コイルに絶縁ワニス含浸処理を施した電機器機の巻線体及びその製造方法に関するものである。

従来、鉄心に導線を巻き回して形成する固定子コイルや回転子コイルなどには、絶縁性能の向上に加え、巻線から鉄心への熱伝導性を向上させてコイルに発生する熱を放熱させるために、巻線間の空隙に絶縁ワニスを充填する絶縁ワニス含浸処理が施されている。

この様な絶縁ワニス含浸方法として、コイルを熱硬化性樹脂の絶縁ワニス中に浸してコイルへ絶縁ワニスを浸透させる浸漬含浸法や、コイルへ絶縁ワニスを滴下して含浸させる滴下含浸法、或いはコイルを真空容器内に収容し、容器内を減圧した状態でコイルを絶縁ワニス中に浸漬して含浸させる真空含浸法などが用いられている。

特に、滴下含浸法は、必要部分に必要な量だけの絶縁ワニスを含浸させることができ、材料歩留まりの観点から非常に優れた含浸方法である。
一方、浸漬含浸法や、真空含浸法では、絶縁ワニスの表面張力による毛細管現象に加え、絶縁ワニスの静水圧がかかることによりコイル中への絶縁ワニスの浸透が促進されるのに対し、滴下含浸法では、主として毛細管現象のみにより絶縁ワニスをコイル中へ浸透させるため、前記２つの絶縁ワニス含浸法に比べて絶縁ワニスの浸透性が低くなる。
これにより、巻線間に空隙が残留することにより、絶縁性能の低下や放熱性能の低下が起こる場合がある。
そこで、コイルへ絶縁ワニスを滴下しているときに、固定子を振動子で加振して、コイル中の空気層を除去し絶縁ワニスの浸透を促進する方法（例えば、特許文献１）や滴下時に固定子をコアの中心軸を水平に対し５°〜２０°傾けて保持し、傾斜上部のコイル端に絶縁ワニスを滴下して、絶縁ワニスを流動させて浸透を促進する方法（例えば、特許文献２）などが提案されている。

特開平６−３２７２０３号公報 特開平９−６６２５８号公報

近年、回転電機の高効率化の市場要求に応えるため、巻枠へ導線を巻き回した後、形成されたコイルを鉄心スロットへ挿入する従来の分布巻線法に替わり、鉄心へ直接導線を巻き回す集中巻線法が広く採用されている。
集中巻線法では分布巻線法より高密度な巻線が可能であり、回転電機の高効率化が可能である。

集中巻線法においては、整列性よく巻線された２乃至３層の下層巻線上に、順次上層巻線を巻き回していく。ここで、下層巻線の整列性をいかに向上させるかが、高密度巻線化の鍵となり、鉄心と巻線の間に配置されるインシュレータの形状等に種々の工夫が検討されている。
一方で、下層巻線とその上に順次巻かれる上層巻線の整列性に差を生じやすく、このようなコイルに絶縁ワニスを滴下した場合、上層巻線中の絶縁ワニスの浸透速度Ｖ１と下層巻線中の絶縁ワニスの浸透速度Ｖ２の間にＶ１＞Ｖ２となる差を生じる。
この浸透速度の差によって、コイルの中心部まで絶縁ワニスが充分浸透する前に、上層の巻線部から絶縁ワニスが外部に溢れ出し、下層巻線に空隙が残留してコイルの絶縁性能や放熱性を低下させる課題があった。
このような課題に対し、特許文献１の絶縁ワニス含浸方法では、滴下中に固定子を加振しコイル中の空気層を除去するため空隙の残留の可能性は低くなるが、振動は絶縁ワニスの表面張力に影響を与えるわけではないので、Ｖ１とＶ２の速度均一化は見込めず、下層巻線中に空隙が残留する可能性がある。
また、特許文献２の絶縁ワニス含浸方法では、絶縁ワニスが流動することにより絶縁ワニスの浸透速度が増大するため、絶縁ワニスの浸透は促進されるが、やはりＶ１とＶ２の速度均一化は見込めず、下層巻線中に依然として空隙が残留する可能性がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、集中巻線法にて形成された巻線体のコイルの中心部にまで隙間無く、充分に絶縁ワニスを充填させることにより、絶縁性、放熱性に優れた電気機器の巻線体及びその製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る、電気機器の巻線体は、
鉄心と鉄心に巻装されたコイルとを備えた電気機器の巻線体において、
コイルは、素線が撥液剤により撥液加工された上層部と、撥液加工されていない下層部とを有し、
コイル全体が絶縁ワニスによって含浸加工されているものである。

この発明に係る、電気機器の巻線体の製造方法は、
鉄心に素線を巻き回してコイルを巻装するコイル巻装工程と、
コイルを巻装した巻線体を所定の温度に予熱する予熱工程と、
予熱工程を終えた巻線体のコイルの表層から所定の層まで撥液剤を含浸させる撥液剤含浸工程と、
撥液剤含浸工程の後、絶縁ワニスをコイル全体に含浸させる絶縁ワニス含浸工程とを備えたものである。

この発明に係る、電気機器の巻線体は、
鉄心と鉄心に巻装されたコイルとを備えた電気機器の巻線体において、
コイルは、素線が撥液剤により撥液加工された上層部と、撥液加工されていない下層部とを有し、
コイル全体が絶縁ワニスによって含浸加工されているものなので、
十分な量の絶縁ワニスをコイルに均一に充填でき、絶縁性能、放熱性能に優れた電気機器の巻線体を提供できる。

この発明に係る、電気機器の巻線体の製造方法は、
鉄心に素線を巻き回してコイルを巻装するコイル巻装工程と、
コイルを巻装した巻線体を所定の温度に予熱する予熱工程と、
予熱工程を終えた巻線体のコイルの表層から所定の層まで撥液剤を含浸させる撥液剤含浸工程と、
撥液剤含浸工程の後、絶縁ワニスをコイル全体に含浸させる絶縁ワニス含浸工程とを備えたものなので、
上層巻線中の絶縁ワニスの浸透速度が低下し、下層巻線中の浸透速度との均一化が図れる。
これによりコイルの全体に絶縁ワニスを充分に浸透させることができ、絶縁性能、放熱性能に優れた電気機器の巻線体を提供できる。

この発明の実施の形態１に係る電気器機の巻線体の形成工程を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る集中巻線法による電気機器の巻線体の形成状態を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る集中巻線法により形成されたコイルに絶縁ワニスを滴下した場合の浸透速度を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係るコイルに浸透する絶縁ワニスの状態を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る巻線体の絶縁処理の流れを示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る電気器機の巻線体に撥液剤を滴下した後の撥液剤の浸透範囲を示す模式断面図である。 この発明の実施の形態１に係る撥液処理された電気器機の巻線体に絶縁ワニスを滴下した場合の浸透速度を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る電機器機の巻線体の適用例Ａ、適用例Ｂ、比較例の放熱特性を評価するための検査装置の構成を示す模式図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る電気器機の巻線体とその製造方法を、図を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る電気器機の巻線体１の形成工程を示す模式図である。
巻線体１は、鉄心１１とコイル１２により構成されている。
コイル１２は、エナメル線やポリエステルイミド銅線などからなる素線２を鉄心１１に複数層巻き回して形成されている。
図１に示す方法によって形成されたコイル１２は、素線２に吸着した水分及び素線２の巻回し時に発生した被覆層の歪を除去するために、摂氏１００度以上の温度で予備加熱（予熱）された後、撥液剤含浸処理及び絶縁ワニス含浸処理を施される。

図２は、集中巻線法で形成されたコイル１２の巻線状態を表す断面模式図である。
図に示すように、鉄心１１の中心に近い側に巻き回された下層巻線１２ａは、俵積状に整列性良く巻線されているのに対し、上層巻線１２ｂは、やや整列性が崩れている。
図３は、図２に示すコイル１２に、絶縁ワニスを滴下した場合の浸透速度の上層巻線１２ｂの部分と、下層巻線１２ａの部分による違いを示す模式図である。

コイル１２の中での絶縁ワニスの浸透深さは、次に示すルーカスウォッシュバーンの式によって求められる。
ｌ＝（ｒ×γ×ｃｏｓθ×ｔ／（２×η））^０．５
ｌ：浸透深さ、ｒ：巻線間隙間、γ：絶縁ワニスの表面張力、θ：接触角、ｔ：浸透時間、η：絶縁ワニスの粘度

図４（ａ）は、コイル１２に浸透する絶縁ワニス６の状態を示す模式図である。
図に示すように、コイル１２内を下方に浸透する絶縁ワニス６の最下端部は、素線２との間で次々とメニスカス４を形成する。
図４（ｂ）は、コイル１２に浸透する絶縁ワニス６と素線２との接触角θ１の関係を示す図である。
ここで、接触角θ１は、絶縁ワニス６のメニスカス最下端部４１での素線２の接線と、絶縁ワニス６のメニスカス４の最下端部の接線がなす角度となる。

また、図では正しく表現できないが、整列性の低い上層巻線１２ｂ内では、巻線間隙間ｒが整列性の高い下層巻線１２ａでの巻線隙間ｒより大きい。
従って、単位時間当たりの浸透深さｌを比較すると、整列性の低い上層巻線１２ｂに比べ、整列性の高い下層巻線１２ａの方がｌは小さくなる。
即ち、上層巻線１２ｂ中の絶縁ワニス６の浸透速度Ｖ１と、下層巻線１２ａ中の絶縁ワニス６の浸透速度Ｖ２の間にはＶ１＞Ｖ２となる関係がある。

図５は、巻線体１の絶縁処理の流れを示す模式図である。
予熱工程において、１００℃以上に昇温された巻線体１に対し、撥液剤滴下ノズル５１を通して撥液剤５を滴下してコイル１２の上層部に撥液剤５を浸透させた後、絶縁ワニス滴下ノズル６１を通して絶縁ワニス６を滴下してコイル１２の全体に浸透させる。
図６は、撥液剤５を滴下した後の撥液剤５の浸透範囲を示す図である。
図６では、撥液剤５が付着した上層巻線１２ｂを示すために、素線２を細く示しているが実際には線径は変わらない。
図７は、絶縁ワニス６を滴下した後の絶縁ワニス６の浸透速度を示す模式図である。
図６に示すように、撥液剤５は、溶媒の沸点が予め温度調節されたコイル１２の温度より低いため、下層巻線１２ａへ達する前に溶媒がすぐに蒸発する。
これにより、撥液成分が上層巻線１２ｂの表面に固着し、上層巻線１２ｂの表面のみを撥液処理する。

図４（ｃ）は、撥液処理された、上層巻線１２ｂの部分における接触角θ２を示す図である。
撥液処理された上層巻線１２ｂでは、前述のルーカスウォッシュバーンの式中の接触角θが、絶縁ワニス６の濡れ性の低下によって増大してθ２となる。
これにより、単位時間当たりの浸透深さｌが減少する。
この結果、図７に示すように、上層巻線１２ｂ中の絶縁ワニス６の浸透速度Ｖ１’は撥液処理しない場合の浸透速度Ｖ１より低下し、下層巻線１２ａ中の絶縁ワニス６の浸透速度Ｖ２との差が小さくなって、Ｖ１、Ｖ１’、Ｖ２の間には、Ｖ１＞Ｖ１’≒Ｖ２という関係が成立する。

このように、絶縁ワニス６を滴下含浸したコイル１２を、絶縁ワニス６の硬化温度まで加熱し、絶縁ワニス６にて含浸処理されたコイル１２が得られる。
これにより、下層巻線１２ａに絶縁ワニス６が充分浸透するまでに、上層巻線１２ｂから絶縁ワニス６が溢れ出すようなことがなく、下層巻線１２ａにまで十分に絶縁ワニス６が浸透し、下層巻線１２ａの間に空隙が残留することを防止することができる。
この結果、コイル１２の絶縁性能や放熱性を向上することができる。

以下、本実施例の適用例Ａを説明する。
まず、鉄心１に線径１．０５ｍｍの素線２を巻き回し、占積率８７％のコイル１２を形成する。
次に、巻線体１を素線２の被覆層のガラス転移温度以上である１５０℃の熱風乾燥炉内で２時間予熱し、１３０℃に温度調整したコイル１２にシリコン系の撥液剤５Ａを、１コイル当たり１ｇ滴下（以下、撥液剤含浸工程と呼称する）する。
次に、撥液剤５Ａの溶媒が蒸発した後、絶縁ワニス６を１コイルあたり２ｇ滴下（以下、ワニス含浸工程と呼称する）する。
その後、１７０℃の熱風乾燥炉内で２時間加熱して絶縁ワニス６を硬化させ含浸処理されたコイル１２を得る。
尚、使用したシリコン系の撥液剤５Ａの沸点は６０℃である。

以下、本実施例の適用例Ｂを、適用例Ａと異なる部分を中心に説明する。
撥液剤含浸工程において、撥液剤５としてフッ素系の撥液剤５Ｃを１ｇ滴下した以外は、適用例Ａと同じ工程を行って、絶縁ワニス６で含浸処理されたコイルを得た。尚、使用したフッ素系の撥液剤Ｃの沸点は４５℃である。

以下、本実施例の適用例Ａ、Ｂと対比するための比較例の構成を説明する。
撥液剤含浸工程を実施せず、絶縁ワニス含浸工程において、絶縁ワニス６を２ｇ滴下したコイル１２を用意した。

次に、適用例Ａ、適用例Ｂ、比較例で得られたコイル１２の絶縁性能、放熱性能の評価を行った。絶縁性能については、代表値としてコイル１２と鉄心１の間の誘電正接の値を測定した。
誘電正接の測定条件は、電源をＡＣ２５００Ｖ、６０Ｈｚとし、総研電気株式会社製のｔａｎδ測定機であるＤＡＣ−ＡＳＭ−７で測定した。

図８は、放熱特性の測定装置の構成を示す図である。
鉄心１１にヒートシンク７を取り付けた状態で、コイル１２に交流電源８よりＡＣ１００Ｖ、６０Ｈｚの電圧を印加し抵抗計９で初期及び１時間通電後のコイル１２の抵抗測定を行い、ＪＩＳ−Ｃ４２０３より下式に従って巻線の温度上昇を求めた。
Ｔ＝Ｔ２−Ｔα＝（Ｒ２／Ｒ１−１）×（２３５＋Ｔ１）＋（Ｔ１−Ｔα） ［℃］
Ｔ：巻線の温度上昇値、Ｔ１：初期抵抗測定時の巻線温度、Ｔ２：試験後の巻線温度
Ｔα：試験後の室温、 Ｒ１：初期抵抗、 Ｒ２：試験後の抵抗
表１に各測定結果をまとめる。

表１に示すように誘電正接については、適用例Ａ、適用例Ｂが１．６％であるのに対し、比較例では４．８％と大きい。
これは、適用例Ａ、適用例Ｂにおいては、絶縁ワニス６の滴下含浸時に絶縁ワニス６が下層巻線１２ａまで浸透し、コイル１２の中心部まで絶縁ワニス６が充分充填されているのに対し、比較例においては、絶縁ワニス６が充分に浸透せず下層巻線１２ａの間に空隙が残留して、コイル１２と鉄心１１の間で漏れ電流が増大していることを示している。

また、温度上昇についても、適用例Ａが４６．２℃、適用例Ｂが４６．８℃であるのに対し、比較例では５８．４℃と大きい。
これは、適用例Ａ、適用例Ｂでは、コイル１２の中心部まで絶縁ワニス６が充分充填され、コイル１２で発生したジュール熱を鉄心１１に効率良く熱伝達できているのに対し、比較例においては、下層巻線１２ａの間及び下層巻線１２ａと鉄心１１の間に空隙があり、コイル１２から鉄心１１への熱伝達を阻害していることを示している。

以上の結果より、本発明の実施の形態１に係る電気機器の巻線体１とその製造方法によれば、コイル１２の上層巻線１２ｂだけを撥液加工して、コイル１２の上層巻線１２ｂと下層巻線１２ａにおける絶縁ワニス６の浸透速度を同等にすることにより、十分な量の絶縁ワニス６をコイル１２内に均一に充填でき、絶縁性能、放熱性能に優れた電気機器の巻線体１とその製造方法を提供できる。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 巻線体、１１ 鉄心、１２ コイル、１２ａ 下層巻線、１２ｂ 上層巻線、
Ｖ１，Ｖ１’，Ｖ２ 浸透速度速度、２ 素線、４ メニスカス、
５，５Ａ，５Ｃ 撥液剤、５１ 撥液剤滴下ノズル、６ 絶縁ワニス、
６１ 絶縁ワニス滴下ノズル、７ ヒートシンク、８ 交流電源、９ 抵抗計、
θ，θ２ 接触角。

Claims (4)

1. 鉄心と前記鉄心に巻装されたコイルとを備えた電気機器の巻線体において、
   前記コイルは、素線が撥液剤により撥液加工された上層部と、撥液加工されていない下層部とを有し、
   前記コイル全体が絶縁ワニスによって含浸加工されている電気機器の巻線体。
2. 前記撥液剤は、シリコン系又はフッ素系の撥液剤である請求項１に記載の電気機器の巻線体。
3. 鉄心に素線を巻き回してコイルを巻装するコイル巻装工程と、
   前記コイルを巻装した巻線体を所定の温度に予熱する予熱工程と、
   予熱工程を終えた前記巻線体の前記コイルの表層から所定の層まで撥液剤を含浸させる撥液剤含浸工程と、
   前記撥液剤含浸工程の後、絶縁ワニスを前記コイル全体に含浸させる絶縁ワニス含浸工程とを備えた電気機器の巻線体の製造方法。
4. 前記予熱工程における予熱温度は、前記撥液剤含浸工程で使用する前記撥液剤の溶媒の沸点より高く設定されている請求項３に記載の電気機器の巻線体の製造方法。

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