JP2018046264A - モールドコイル、変圧器及びリアクタンス - Google Patents

Abstract

【課題】空気絶縁層を排除してサイズの小型化を可能としたモールドコイル及びそのモールドコイルを実装した機器を提供する。【解決手段】モールドコイル１は、コイル１１のみならず、コア２０及びクランプ３０を注型樹脂４０でモールドして成る。注型樹脂４０は、コイル１１を取り囲み、コイル１１と同一又は近似の線膨張係数の第１注型樹脂４１と、コア２０とクランプ３０を取り囲み、コア２０及びクランプ３０と同一又は近似の線膨張係数の第２注型樹脂とを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、モールドコイル、モールドコイルを備える変圧器、及びモールドコイルを備えるリアクタンスに関する。

計器用変成器、変圧器及びリアクタンス等には重電用のモールドコイルが実装される。モールドコイルはコイル、コア及びクランプを備える。コアとクランプは、コイルに対して空間を隔てて配置される。またコイルに限ってエポキシ樹脂等の注型樹脂でモールドされている。コイルとコア、コイルとクランプとの間に空気絶縁層と樹脂絶縁層を形成するためである。

コイルに限って樹脂でモールドしているのは、コイルは一般的にアルミニウム又は銅製であり、コアとクランプは一般的に鉄、鉄合金又は酸化鉄を主成分とするセラミック製であり、コイルに対してコアとクランプの線膨張係数が異なるためである。即ち、コイルに適した線膨張係数の樹脂でコアとクランプまでをも被覆してしまうと、この樹脂とコアやクランプの線膨張係数の相違による熱応力を起因として、樹脂とコアやクランプとの間に剥離が生じてしまう。剥離部分では部分放電が発生する虞があり、モールドコイルを利用した機器の製品寿命低下の原因となってしまう。

そこで、従来よりモールドコイルは、コイル側に樹脂絶縁層を備え、コアとクランプ側に空気絶縁層を備え、樹脂絶縁層と空気絶縁層によりコイルに対してコアとクランプの絶縁を図っているものである。

特開２０１５−２１１１３２号公報

しかしながら、エポキシ樹脂と空気の誘電率比により空気絶縁層の電圧分担比率は高く、また空気絶縁層はエポキシ樹脂の絶縁層よりも絶縁特性が低い。そのため、モールドコイルにおいて空気絶縁層のサイズは大きくなりがちであり、空気絶縁層のためにモールドコイルは大型化していた。

本実施形態は、上記の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、空気絶縁層を排除してサイズの小型化を可能としたモールドコイル及びそのモールドコイルを実装した機器を提供することにある。

上記目的を達成するために、この実施形態に係るモールドコイルは、絶縁皮膜で覆った金属電線を巻回して成るコイルと、前記コイルに挿通されたコアと、前記コアを挟み込むクランプと、前記コイルと前記コアと前記クランプを取り囲んで封じ込むと共に、前記コイルと前記コアと前記クランプの間を埋める注型樹脂と、を備え、前記注型樹脂は、前記コイルを埋め込み、前記コイルと同一又は近似の線膨張係数の第１注型樹脂と、前記コアと前記クランプを埋め込み、前記コア及び前記クランプと同一又は近似の線膨張係数の第２注型樹脂と、を有すること、を特徴とする。

前記モールドコイルは、変圧器又はリアクタンスに備えるようにしてもよい。

本実施形態に係るモールドコイルの第１の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るモールドコイルの第２の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るモールドコイルの第３の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るモールドコイルの第４の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るモールドコイルの第５の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るモールドコイルの第６の構成例を示す模式図である。

本実施形態に係るモールドコイルについて図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るモールドコイルの構成を示す模式図である。図１に示すモールドコイル１は、重電用の変圧器やリアクタンスに特に好適であり、インダクタンス成分であるコイル１１、磁性体材料で成り磁気回路を構成するコア２０及び当該コア２０を支持するクランプ３０を備えている。コイル１１、コア２０及びクランプ３０は、注型樹脂４０でモールドされている。

コイル１１は、巻線１２が円筒軸方向及び径方向に層状に幾重にも捲回されて成る。コイル１１の径方向の巻線１２間には絶縁紙１３が挟み込まれ、径方向の層間の短絡を防止している。巻線１２は、金属電線を絶縁被膜で覆って作製される。金属電線は、銅又はアルミ等の導体であり、銅製であれば線膨張係数は１．６５×１０^−５［／Ｋ］であり、アルミニウム製であれば線膨張係数は２．３１×１０^−５［／Ｋ］である。絶縁皮膜は、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリイミド、架橋ポリエチレン、ポリエチレン、エチレンビニルアセテート、アラミド紙、又はこれらの２種類以上の材料を重ねてなる有機絶縁物である。

コア２０は、コイル１１を挿通して配置されたＩ字、Ｕ字又は環状型等の磁性体である。クランプ３０は、コア２０を挟み込むように、コア２０の両端に固定されている。コア２０及びクランプ３０は、鉄、鉄合金、又は酸化鉄を主成分とするセラミックスであるフェライト製であり、線膨張係数は概ね１．５×１０^−５［／Ｋ］以下である。コア２０とコイル１１とは間隔を隔てて非接触で設置されており、クランプ３０とコイル１１も間隔を隔てて非接触で設置されている。

注型樹脂４０は、コイル１１、コア２０及びクランプ３０の全体が埋設されるように充填されている。注型樹脂４０は、絶縁機能を目指し、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、ウレタン樹脂、ＢＭＣ（Ｂｕｌｋ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）、ＰＢＴ（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）等の樹脂を主材とする。

注型樹脂４０には、注型樹脂４０の線膨張係数の調整のために、無機フィラーが充填されている。無機フィラーは、高熱伝導率を有する材料が好適であり、典型的には窒化ホウ素、アルミナ、マグネシア、及びシリカの群から選ばれる単体又は２つ以上の組み合わせである。この注型樹脂４０は、無機フィラーの充填率の相違によって、コイル１１と接触する第１注型樹脂４１と、コア２０及びクランプ３０と接触する第２注型樹脂４２とに分かれる。

第１注型樹脂４１は、無機フィラーの充填によって、コイル１１がアルミニウム製であれば、アルミニウムの線膨張係数と同一又は近傍の２．０×１０^−５以上２．４×１０^−５［／Ｋ］以下の線膨張係数を有するように調整され、コイル１１が銅製であれば、銅の線膨張係数と同一又は近傍の１．６×１０^−５以上１．８×１０^−５［／Ｋ］以下の線膨張係数を有するように調整されている。第２注型樹脂４２は、無機フィラーの充填によって、１．５×１０^−５［／Ｋ］以下でコア２０及びクランプ３０と同一又は近似の線膨張係数を有するように調整されている。尚、樹脂の線膨張係数はガラス転移温度以下の値である。

尚、「近似の線膨張係数」とは、完全一致の必要はなく、熱による膨張度合の相違によっては第１注型樹脂４１とコイル１１との間に剥離が生じない程度、また熱による膨張度合の相違によっては第２注型樹脂４２とコア２０及びクランプ３０との間に剥離が生じない程度であれば許容され、接合強さを変化させる処理層４３（図２参照）の有無等も加味される。

一例として、注型樹脂４０内において、第１注型樹脂４１が注型容器に注型され、その後、第２注型樹脂４２が注型容器に注型されることにより、第１注型樹脂４１の層と第２注型樹脂４２の層とは連接している。第１注型樹脂４１の層と第２注型樹脂４２を連接させる場合、図２に示すように、第１注型樹脂４１と第２注型樹脂４２との間に、接合度合いを強化する処理層４３を介在させることが望ましい。

処理層４３は、粗面化層、又はシランカップリング剤若しくはプライマー剤から成る塗布層である。処理層４３により第１注型樹脂４１と第２注型樹脂４２との間の食い付きが良くなり、線膨張係数の多少の相違のよっては層間に剥離が生じ難くなる。最初に注型した第１注型樹脂４１又は第２注型樹脂４２の表面を粗し、又はシランカップリング剤若しくはプライマー剤を塗布し、最初に注型した第１注型樹脂４１又は第２注型樹脂４２の表面に処理層４３を形成してから、次の第１注型樹脂４１又は第２注型樹脂４２を注型すればよい。

他の例として、図３に示すように、第１注型樹脂４１と第２注型樹脂４２との間にはグラデーション層４４を介在させてもよい。グラデーション層４４は、各断面で線膨張係数を変化させた層であり、第１注型樹脂４１に近い側から第２注型樹脂４２に近い側にかけて、線膨張係数が第１注型樹脂４１に近い値から第２注型樹脂４２に近い値へ徐々に変化していく。即ち、グラデーション層４４は、各断面で無機フェラーの充填率が異なる。グラデーション層４４の各断面において両側の線膨張係数の相違が小さいので、コイル１１と第１注型樹脂４１との間、コア２０又はクランプ３０と第２注型樹脂４２との間はもとより、注型樹脂４０内で亀裂又はひび割れ等の空隙が生じる虞も少なくなる。

また、図４に示すように、適宜、コア２０及びクランプ３０の表面にも処理層４３を形成することが望ましい。第２注型樹脂４２がコア２０及びクランプ３０に良好に食い付き、剥離が生じ難くなる。第２注型樹脂４２とコア２０やクランプ３０との線膨張係数を完全一致させることができない場合等に好適である。

また、図５に示すように、コア２０及びクランプ３０には、第２注型樹脂４２でモールドする前に、接合度合いを変化させる処理層４３の形成に加えて、または処理層４３に代えて、応力緩和層４５を予めモールドしておいてもよい。応力緩和層４５は、シリコーン樹脂又はエラストマーで成り、エラストマーとしてはオレフィン系、スチレン系、ポリエステル系及びポリウレタン系を挙げることができる。コア２０及びクランプ３０の全体を応力緩和層４５でモールドしておいてもよいが、応力集中の起こり易いエッジ部分のみをモールドするようにしてもよい。

更に、図６に示すように、注型樹脂４０の外表面を導電剤４６から成る塗布層を形成しておいてもよい。導電剤４６による電路を作出しておくことで、注型樹脂４０内に万一剥離が生じたとしても、部分放電が生じ難くなる。

以上のように、注型樹脂４０は、コイル１１を取り囲み、コイル１１と同一又は近似の線膨張係数の第１注型樹脂４１と、コア２０とクランプ３０を取り囲み、コア２０及びクランプ３０と同一又は近似の線膨張係数の第２注型樹脂とを有するようにした。

これにより、コア２０及びクランプ３０を被覆する樹脂が熱応力により剥離してしまうことが抑制され、コア２０及びクランプ３０側の絶縁層も樹脂とすることができるため、モールドコイル１から空気絶縁層を排除できる。空気の破壊電界は条件によっても異なるが約３ｋＶ／ｍｍであり、固体絶縁物の破壊電界は種類によっても異なるが約３０ｋＶ／ｍｍ以上である。従って、従来より空気絶縁層として確保されていた空間のサイズを１／１０以下にすることが可能となり、モールドコイル１を小型化できる。

また、第１注型樹脂４１と第２注型樹脂４２とは線膨張係数が異なるが、第１注型樹脂４１と第２注型樹脂４２との間に、接合度合いを高める処理層４３を介在させることで、第１注型樹脂４１と第２注型樹脂４２との間の剥離を抑制できる。

更に、コア２０とクランプ３０の表面にも処理層４３を形成しておき、又はコア２０とクランプ３０を応力緩和層４４でモールドしておくことで、コア２０とクランプ３０に対して第２注型樹脂４２の線膨張係数が許容する幅が広がり、モールドコイル１の製作が容易となる。即ち、コア２０とクランプ３０の線膨張係数に厳密に合わせ込むように無機フィラーの充填率を上げていくと、第２注型樹脂４２の粘度が高くなるため、ボイドや樹脂未充填等が起らないように比較的な高度な注型管理を要する。しかし、第２注型樹脂４２の線形膨張係数の許容幅が広がれば、第２注型樹脂４２の粘度とのバランスを図ることができ、注型作業を容易化できる。

（他の実施形態）
上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。この実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ モールドコイル
１１ コイル
１２ 巻線
１３ 絶縁紙
２０ コア
３０ クランプ
４０ 注型樹脂
４１ 第１注型樹脂
４２ 第２注型樹脂
４３ 処理層
４４ グラデーション層
４５ 応力緩和層
４６ 導電剤

Claims (12)

1. 絶縁皮膜で覆った金属電線を巻回して成るコイルと、
   前記コイルに挿通されたコアと、
   前記コアを挟み込むクランプと、
   前記コイルと前記コアと前記クランプを取り囲んで封じ込むと共に、前記コイルと前記コアと前記クランプの間を埋める注型樹脂と、
   を備え、
   前記注型樹脂は、
   前記コイルを埋め込み、前記コイルと同一又は近似の線膨張係数の第１注型樹脂と、
   前記コアと前記クランプを埋め込み、前記コア及び前記クランプと同一又は近似の線膨張係数の第２注型樹脂と、
   を有すること、
   を特徴とするモールドコイル。
2. 前記第１注型樹脂と前記第２注型樹脂は連接し、
   前記第１注型樹脂、前記第２注型樹脂又は両方の連接面に粗面化層を備えること、
   を特徴とする請求項１記載のモールドコイル。
3. 前記第１注型樹脂と前記第２注型樹脂は連接し、
   前記第１注型樹脂、前記第２注型樹脂又は両方の連接面に、シランカップリング剤又はプライマー剤から成る塗布層を備えること、
   を特徴とする請求項１又は２記載のモールドコイル。
4. 前記第１注型樹脂と前記第２注型樹脂は、無機フィラーを含み、
   前記第１注型樹脂と前記第２注型樹脂は、前記無機フィラーの充填率が異なること、
   を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のモールドコイル。
5. 前記コイルはアルミニウム製であり、
   前記第１注型樹脂は、アルミニウム製の前記コイルに対してガラス転移温度以下で２．０×１０^−５以上２．４×１０^−５［／Ｋ］以下の線膨張係数を有し、
   前記コア及び前記クランプは鉄、鉄合金又は酸化鉄を主成分とするセラミック製であり、
   前記第２注型樹脂は、ガラス転移温度以下で１．５×１０^−５［／Ｋ］以下の線膨張係数を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のモールドコイル。
6. 前記コイルは銅製であり、
   前記第１注型樹脂は、銅製の前記コイルに対してガラス転移温度以下で１．６×１０^−５以上１．８×１０^−５［／Ｋ］以下の線膨張係数を有し、
   前記コア及び前記クランプは鉄、鉄合金又は酸化鉄を主成分とするセラミック製であり、
   前記第２注型樹脂は、ガラス転移温度以下で１．５×１０^−５［／Ｋ］以下の線膨張係数を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のモールドコイル。
7. 前記コア及び前記クランプは、表面に粗面化層を備えること、
   を特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のモールドコイル。
8. 前記コア及び前記クランプは、表面にシランカップリング剤又はプライマー剤から成る塗布層を備えること、
   を特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のモールドコイル。
9. 前記コア及び前記クランプをモールドするエラストマー層を備え、
   前記第２注型樹脂は、前記エラストマー層の上から前記コア及び前記クランプを埋め込むこと、
   を特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載のモールドコイル。
10. 前記注型樹脂の外表面に導電剤から成る塗布層を備えること、
    を特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載のモールドコイル。
11. 請求項１乃至１０の何れかに記載のモールドコイルを備えること、
    を特徴とする変圧器。
12. 請求項１乃至１０の何れかに記載のモールドコイルを備えること、
    を特徴とするリアクタンス。

Images