JP2015185417A

JP2015185417A - 巻線および巻線用塗料

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Publication number: JP2015185417A
Application number: JP2014061628A
Authority: JP
Inventors: 秀仁花輪; Hidehito Hanawa; 秀太鍋島; shuta Nabeshima
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-22
Also published as: US20150279510A1; CN104952516A

Abstract

【課題】部分放電に起因する劣化の抑制が図られた新規な構造を有する巻線を提供する。
【解決手段】巻線は、導体と、導体上に形成された耐部分放電性被覆層とを有し、耐部分放電性被覆層は、ベース樹脂と、ベース樹脂に混合された電気絶縁性の無機微粒子と、ベース樹脂に混合された導電性微粒子とを有し、導電性微粒子は、ベース樹脂１００重量部に対して１．２５〜３．００重量部混合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻線および巻線用塗料に関する。

例えばモータや変圧器等のコイルを形成する巻線として、導体上に絶縁皮膜（エナメル皮膜）が設けられたエナメル線等が使用されている。

モータの効率的な可変速電圧制御装置として、インバータが利用されている。このようなインバータは、数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの高速スイッチング素子によって制御され、電圧印加の際には高圧のサージ電圧が発生する。近年のインバータは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の高速スイッチング素子により急峻な電圧の立ち上げが可能となり、それに起因して、出力電圧に対して最大で２倍の瞬間的なサージ電圧が発生する。サージ電圧の影響により、コイル成形されたエナメル線同士の表面に部分放電が発生し、エナメル皮膜を浸食させてしまうという現象が起こる。部分放電によるエナメル皮膜の浸食は、最終的には絶縁破壊を引き起こす。

サージ電圧の影響への対策としては、部分放電による浸食が抑制された皮膜を形成する手法があり、例えば特許文献１および特許文献２に、耐部分放電性絶縁電線（耐インバータサージエナメル線）が提案されている。皮膜に無機物質の微粒子を含有することで、放電による浸食を抑制することができる。

一方で、部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ）を向上させて、部分放電を抑制することにより、課電寿命を長くする手法もある。このような手法としては、例えば、皮膜を厚くする方法や、特許文献３および特許文献４に開示されているような、誘電率を低減する方法が考えられる。ただし、前者については、皮膜を厚くすることで、ＰＤＩＶの向上は図れるものの、巻付け時の機械特性の低下や巻太り等が懸念される。

最近のモータは、インバータによる制御のため従来よりも高電圧であり、かつ、高速スイッチング等の仕様が主流になっていることから、部分放電発生の可能性はより高くなっている。加えて、モータのコンパクト化によってエナメル線の皮膜には伸長、摩擦、屈曲等の大きなストレスが掛かることになる。さらに、ハイブリッド車や電気自動車においては、温度や湿度、あるいは高地走行による気圧低下などの環境要因から、部分放電が発生しやすい状況となり得る。エナメル線に掛かる負荷はこれまで以上に大きくなり、部分放電劣化による絶縁性低下が懸念される。

特開２０００−３３１５３９号公報特開２００４−２０４１８７号公報特開２０１０−１３２７２５号公報特開２０１０−１８９５１０号公報

本発明の一目的は、部分放電に起因する劣化の抑制が図られた新規な構造を有する巻線、およびこのような巻線の形成に用いることができる巻線用塗料を提供することである。

本発明の一観点によれば、
導体と、
前記導体上に形成された耐部分放電性被覆層と
を有し、
前記耐部分放電性被覆層は、
ベース樹脂と、
前記ベース樹脂に混合された電気絶縁性の無機微粒子と、
前記ベース樹脂に混合された導電性微粒子と
を有し、
前記導電性微粒子は、前記ベース樹脂１００重量部に対して１．２５〜３．００重量部混合されている巻線
が提供される。

本発明の他の観点によれば、
ベース樹脂を含むベース樹脂塗料と、
前記ベース樹脂塗料に混合された電気絶縁性の無機微粒子と、
前記ベース樹脂塗料に混合された導電性微粒子と
を有し、
前記導電性微粒子は、前記ベース樹脂１００重量部に対して１．２５〜３．００重量部混合されている巻線用塗料
が提供される。

ベース樹脂（ベース樹脂塗料）に、電気絶縁性の無機微粒子とともにさらに導電性微粒子が混合されていることにより、無機微粒子のみが混合されている場合と比べて、形成される巻線の課電寿命を延ばすことができる。導電性微粒子は、ベース樹脂１００重量部に対して１．２５〜３．００重量部混合されていることが特に好ましい。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態による巻線の概略断面図であり、図１（Ｂ）は、実施例および比較例の巻線の特性試験結果をまとめた表である。

図１（Ａ）を参照して、本発明の一実施形態による巻線について説明する。図１（Ａ）は、本実施形態による巻線の概略断面図である。本実施形態による巻線１は、導体２、密着層３、耐部分放電性被覆層４、絶縁被覆層５、および滑性被覆層６により形成されている。

導体２は、例えば、銅線、アルミニウム線、銀線、ニッケル線、ニッケルメッキ銅線等である。密着層３は、導体２と耐部分放電性被覆層４との間に介在し、導体２と耐部分放電性被覆層４との密着性を高める層であり、必要に応じて形成することができる。密着層３は、例えば、ポリエステルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはポリイミド樹脂をベースとし、ポリエステルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはポリイミド樹脂を含む塗料に密着性向上剤が混合された密着性ポリエステルイミド塗料、密着性ポリアミドイミド塗料、または密着性ポリイミド塗料を導体２上に塗布し、焼き付けして形成される。

導体２上に（密着層３が形成されている場合は密着層３を介し）、耐部分放電性被覆層４が形成されている。耐部分放電性被覆層４は、ベース樹脂に、無機微粒子とともに、さらに導電性微粒子が混合（添加）されることにより、形成されている。無機微粒子の混合により、部分放電による浸食を抑制することができる。本実施形態による耐部分放電性被覆層４では、さらに、導電性微粒子の混合により、耐部分放電性被覆層４中の電界強度を緩和し、部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ）を向上させて、部分放電発生を抑制することができる。無機微粒子および導電性微粒子の混合による具体的な効果の例については、後述の実施例において説明する。

耐部分放電性被覆層４は、例えば以下のようにして形成される。ベース樹脂として、例えば、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂等を用いることができる。以下、ベース樹脂として例えばポリアミドイミド樹脂を用いる場合について説明する。ポリアミドイミド樹脂は、例えば、溶媒中で４，４´−ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）等を含むイソシアネート成分と、トリメリット酸無水物（ＴＭＡ）等を含む酸成分との主に２成分を合成反応させることにより得られる。ポリアミドイミド樹脂塗料に用いる溶媒としては、例えば、γ−ブチロラクトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、ジメチルイミダゾリジノン（ＤＭＩ）、環状ケトン類等からなる溶媒を１種以上用いることができる。

ポリアミドイミド樹脂と溶媒とを含むポリアミドイミド樹脂塗料に、無機微粒子とともにさらに導電性微粒子が混合されることにより、本実施形態による耐部分放電性塗料が用意される。なお、ここで、表現を簡略にするため、合成されるポリアミドイミド樹脂の前駆体が含まれる場合についても、ポリアミドイミド樹脂塗料にポリアミドイミド樹脂が含まれる、と捉えることとする。ベース樹脂としてポリアミドイミド樹脂以外の他のベース樹脂を用いる場合についても同様に、このような捉え方をすることができる。

無機微粒子は、例えば、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア等の電気絶縁性であって、部分放電による浸食を抑制するための無機微粒子を含むオルガノゾルを混合することにより、ポリアミドイミド樹脂塗料に混合される。無機微粒子を含むオルガノゾルの分散溶媒としては、例えば、１３０℃〜１８０℃の範囲の沸点を有する環状ケトン類を主成分とする分散溶媒（主分散溶媒）が挙げられる。このような環状ケトン類としては、例えば、シクロヘプタノン（沸点１８０℃）、シクロヘキサノン（沸点１５６℃）、シクロペンタノン（沸点１３１℃）等が挙げられる。これらを少なくとも１種類以上用いることができる。また、２−シクロヘキセ−１オン等のような環状構造の一部または全てが不飽和のものを用いることもできる。

無機微粒子は、耐部分放電性を高めるため、平均粒子径を１００ｎｍ以下とすることが好ましい。オルガノゾル自体の透明性および巻線の可とう性を考慮すると、平均粒子径は３０ｎｍ以下とすることがより好ましい。

導電性微粒子は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化スズ、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等の導電性微粒子を含むオルガノゾルを混合することにより、ポリアミドイミド樹脂塗料に混合される。導電性微粒子としては、例えば、入手性の観点からＩＴＯが好ましいといえる。特性としてはＣＮＴも好ましいと考えられるが、ＩＴＯに比べると高価となる。導電性微粒子を含むオルガノゾルの分散溶媒としては、例えば、キシレンや低級アルコール等を用いることができる。導電性微粒子が混合されて形成された耐部分放電性被覆層４の絶縁抵抗は、１．０×１０^６Ω・ｃｍ以下が好ましい。導電性微粒子の平均粒子径は、無機微粒子の平均粒子径と同様に、１００ｎｍ以下とすることが好ましく、巻線の可とう性を考慮すると、３０ｎｍ以下とすることがより好ましい。

このようにして、ベース樹脂と溶媒とを含むベース樹脂塗料に無機微粒子および導電性微粒子が混合された耐部分放電性塗料が用意される。導体２上に（密着層３が形成されている場合は密着層３を介して）、耐部分放電性塗料を塗布し、焼き付けすることにより、耐部分放電性被覆層４が形成される。

耐部分放電性被覆層４中の無機微粒子は、ベース樹脂１００重量部に対して１５〜３０重量部混合されていることが好ましい。混合量が多すぎると、無機微粒子は分散性を失い無機微粒子同士が結合（凝集）して、巻線の機械特性が著しく低下してしまう。

また、耐部分放電性被覆層４中の導電性微粒子は、ベース樹脂１００重量部に対して１．２５〜３．００重量部混合されていることが特に好ましい。導電性微粒子の特に好ましい混合量については、後述の実施例（図１（Ｂ）参照）において考察する。

耐部分放電性被覆層４上に、絶縁被覆層５が形成されている。絶縁被覆層５は、例えば、汎用ポリアミドイミド樹脂または汎用ポリイミド樹脂により形成され、ポリアミドイミド樹脂塗料またはポリイミド樹脂塗料を耐部分放電性被覆層４上に塗布し、焼き付けして形成される。

滑性被覆層６は、滑性を高めた最外の絶縁層として絶縁被覆層５上に配置され、必要に応じて形成することができる。滑性被覆層６は、例えば、ポリアミドイミド樹脂をベースとし、ポリアミドイミド樹脂塗料に滑剤が混合された滑性ポリアミドイミド塗料を絶縁被覆層５上に塗布し、焼き付けして形成される。以上説明したように、実施形態による巻線１は、導体２の外周にエナメル塗料を繰り返し塗布・焼き付けしてなるエナメル線として形成されている。

以下、上述の実施形態のより具体的な例として、実施例による巻線について説明する。併せて、比較例による巻線についても説明する。各実施例の巻線は、以下のようにして作製した。ポリアミドイミド樹脂塗料のポリアミドイミド樹脂（ベース樹脂）１００重量部に対して、シリカ量を３０重量部で調整したものを攪拌し、さらにベース樹脂１００重量部に対してＩＴＯを１．２５〜３．００重量部の範囲で混合して、耐部分放電性塗料を得た。

［実施例１］
実施例１では、ベースとなるポリアミドイミド樹脂塗料に、シクロヘキサノンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのシリカ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し３０重量部混合するとともに、キシレンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのＩＴＯ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し１．２５重量部混合して、耐部分放電性塗料を得た。耐部分放電性塗料を、導体径０．８０ｍｍの銅線上に２５μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、耐部分放電性被覆層を形成した。さらに、ポリアミドイミド樹脂塗料を、耐部分放電性被覆層上に６μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、絶縁被覆層として強靭性ポリアミドイミド樹脂層を形成した。このようにして、実施例１の巻線を形成した。

［実施例２］
実施例２では、ベースとなるポリアミドイミド樹脂塗料に、シクロヘキサノンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのシリカ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し３０重量部混合するとともに、キシレンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのＩＴＯ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し２．５０重量部混合して、耐部分放電性塗料を得た。耐部分放電性塗料を、導体径０．８０ｍｍの銅線上に２５μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、耐部分放電性被覆層を形成した。さらに、ポリアミドイミド樹脂塗料を、耐部分放電性被覆層上に６μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、絶縁被覆層として強靭性ポリアミドイミド樹脂層を形成した。このようにして、実施例２の巻線を形成した。

［実施例３］
実施例３では、ベースとなるポリアミドイミド樹脂塗料に、シクロヘキサノンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのシリカ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し３０重量部混合するとともに、キシレンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのＩＴＯ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し３．００重量部混合して、耐部分放電性塗料を得た。耐部分放電性塗料を、導体径０．８０ｍｍの銅線上に２５μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、耐部分放電性被覆層を形成した。さらに、ポリアミドイミド樹脂塗料を、耐部分放電性被覆層上に６μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、絶縁被覆層として強靭性ポリアミドイミド樹脂層を形成した。このようにして、実施例３の巻線を形成した。

［比較例１］
比較例１では、ベースとなるポリアミドイミド樹脂塗料に、シクロヘキサノンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのシリカ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し３０重量部混合するとともに、キシレンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのＩＴＯ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し０．２５重量部混合して、耐部分放電性塗料を得た。耐部分放電性塗料を、導体径０．８０ｍｍの銅線上に２５μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、耐部分放電性被覆層を形成した。さらに、ポリアミドイミド樹脂塗料を、耐部分放電性被覆層上に６μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、絶縁被覆層として強靭性ポリアミドイミド樹脂層を形成した。このようにして、比較例１の巻線を形成した。

［比較例２］
比較例２では、ベースとなるポリアミドイミド樹脂塗料に、シクロヘキサノンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのシリカ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し３０重量部混合するとともに、キシレンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのＩＴＯ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し５．００重量部混合して、耐部分放電性塗料を得た。耐部分放電性塗料を、導体径０．８０ｍｍの銅線上に２５μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、耐部分放電性被覆層を形成した。さらに、ポリアミドイミド樹脂塗料を、耐部分放電性被覆層上に６μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、絶縁被覆層として強靭性ポリアミドイミド樹脂層を形成した。このようにして、比較例２の巻線を形成した。

［比較例３］
比較例３では、ベースとなるポリアミドイミド樹脂塗料に、シクロヘキサノンを分散溶媒とした平均粒子径３０ｎｍのシリカ微粒子を、ベース樹脂１００重量部に対し３０重量部混合して、耐部分放電性塗料を得た。耐部分放電性塗料を、導体径０．８０ｍｍの銅線上に２５μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、耐部分放電性被覆層を形成した。さらに、ポリアミドイミド樹脂塗料を、耐部分放電性被覆層上に６μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、絶縁被覆層として強靭性ポリアミドイミド樹脂層を形成した。このようにして、比較例３の巻線を形成した。

［比較例４］
比較例４では、ポリアミドイミド樹脂塗料を、導体径０．８０ｍｍの銅線上に３０μｍの厚さで塗布し、焼き付けることで、絶縁被覆層として強靭性ポリアミドイミド樹脂層を形成した。このようにして、比較例４の巻線を形成した。

以上をまとめると、実施例１〜３および比較例１、２の巻線は、ベース樹脂に無機微粒子および導電性微粒子が混合された耐部分放電性被覆層を有し、比較例３の巻線は、ベース樹脂に無機微粒子が混合された耐部分放電性被覆層を有し、比較例４の巻線は、耐部分放電性被覆層を有しない。

実施例および比較例の巻線（エナメル線）に対して、以下の条件で可とう性および課電寿命（Ｖ−ｔ特性）の試験を行い、これらの特性について評価した。図１（Ｂ）の表に、これらの特性試験結果をまとめて示す。実施例１〜３および比較例１〜３のエナメル線については、耐部分放電性被覆層と絶縁被覆層とを合わせた皮膜全体の厚さが３１μｍである。また、比較例４のエナメル線については、絶縁被覆層のみの皮膜の厚さが３０μｍとである。

（１）可とう性試験
可とう性試験（無伸長）は、伸長していないエナメル線を、当該エナメル線の導体径の１倍〜１０倍の直径を有する巻付け棒へ「ＪＩＳＣ３００３「７．１．１ａ」巻付け」に準拠した方法で巻付け、光学顕微鏡を用いて絶縁皮膜に亀裂の発生が見られない最小巻付け倍率（ｄ）を測定した。また、可とう性試験（２０％伸長）は、「ＪＩＳＣ３００３「７．１．１ａ」巻付け」に準拠した方法でエナメル線を２０％伸長し、その後、可とう性試験（無伸長）と同様の方法で試験を行い、光学顕微鏡を用いて絶縁皮膜に亀裂の発生が見られない最小巻付け倍率（ｄ）を測定した。

無伸長の可とう性試験の結果について説明する。比較例４の耐部分放電性被覆層が無い汎用エナメル線は、亀裂の発生しない最小巻付け径（これを単に最小巻付け径と呼ぶこととする）が自己径（１ｄ）である。比較例１、３のエナメル線、および実施例１〜３のエナメル線は、最小巻付け径が自己径（１ｄ）となり、比較例４の汎用エナメル線と同程度の可とう性を有している。比較例２のエナメル線は、最小巻付け径が自己径の２倍（２ｄ）となっており、可とう性がやや低い。これは、比較例２は、比較例１および実施例１〜３に比べて導電性微粒子の混合量が多いためであると考えられる。

２０％伸長後の可とう性試験の結果について説明する。比較例４の汎用エナメル線は、最小巻付け径が自己径の２倍（２ｄ）である。比較例１、３のエナメル線、および実施例１、２のエナメル線は、最小巻付け径が自己径の２倍（２ｄ）となり、比較例４の汎用エナメル線と同程度の可とう性を有している。実施例３のエナメル線は、最小巻付け径が自己径の３倍（３ｄ）となり、可とう性がわずかに低くなっているが、巻線として十分使用できる範囲と判断される。比較例２のエナメル線は、最小巻付け径が自己径の５倍（５ｄ）となっており、無伸長の場合と同様に、可とう性がやや低くなっている。

（２）課電寿命（Ｖ−ｔ特性）試験
課電寿命（Ｖ−ｔ特性）試験の結果について説明する。Ｖ−ｔ特性試験により、耐部分放電性が評価される。Ｖ−ｔ特性試験は、ツイストペアを使用して、印加電圧１．０ｋＶｒｍｓ、正弦波１０ｋＨｚの測定条件として常温中で実施し、絶縁破壊までの時間を測定した。

比較例４の汎用エナメル線に比べて、耐部分放電性被覆層が形成されている比較例１〜３のエナメル線、および実施例１〜３のエナメル線は、いずれもＶ−ｔ特性が優れている（課電寿命が長い）。耐部分放電性被覆層に導電性微粒子を含有する比較例１、２のエナメル線、および実施例１〜３のエナメル線は、耐部分放電性被覆層に導電性微粒子を含有しない比較例３のエナメル線に比べて、Ｖ−ｔ特性がより優れている。特に、比較例２、実施例１〜３は、それぞれ、絶縁破壊までの時間が比較例３に比べて例えば５倍以上長いことが分かる。
（３）特性試験の総合評価

これらの特性試験の結果を総合的に評価すると、実施例１〜３のエナメル線が、可とう性および課電寿命（Ｖ−ｔ特性）の両方について特に優れた特性を有するといえる。つまり、耐部分放電性被覆層中の導電性微粒子は、ベース樹脂１００重量部に対して１．２５〜３．００重量部の範囲で混合されていることが特に好ましいといえる。

このようなエナメル線は、例えばインバータモータや変圧器等の電気機器の巻線として、伸長、摩擦、屈曲等の大きなストレスが掛かったり、高電圧、高速スイッチングで部分放電が発生しやすかったりするような厳しい環境下で使用されるのに好適である。

以上、実施形態および実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。また、実施形態および実施例において説明した特徴の組み合わ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巻線（エナメル線）
２導体
３密着層
４耐部分放電性被覆層
５絶縁被覆層
６滑性被覆層

Claims

導体と、
前記導体上に形成された耐部分放電性被覆層と
を有し、
前記耐部分放電性被覆層は、
ベース樹脂と、
前記ベース樹脂に混合された電気絶縁性の無機微粒子と、
前記ベース樹脂に混合された導電性微粒子と
を有し、
前記導電性微粒子は、前記ベース樹脂１００重量部に対して１．２５〜３．００重量部混合されている巻線。
さらに、前記耐部分放電性被覆層上に形成された絶縁被覆層を有する請求項１に記載の巻線。
前記導電性微粒子は、平均粒子径が１００ｎｍ以下である請求項１または２に記載の巻線。
ベース樹脂を含むベース樹脂塗料と、
前記ベース樹脂塗料に混合された電気絶縁性の無機微粒子と、
前記ベース樹脂塗料に混合された導電性微粒子と
を有し、
前記導電性微粒子は、前記ベース樹脂１００重量部に対して１．２５〜３．００重量部混合されている巻線用塗料。