JP2023030380A - マイクロバリスタコンポジット、マイクロバリスタコンポジットの分散液、非線形抵抗材料及び電界緩和構造 - Google Patents
マイクロバリスタコンポジット、マイクロバリスタコンポジットの分散液、非線形抵抗材料及び電界緩和構造 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高周波及び高電圧の電動機のコイルエンドでの電界緩和の向上を図る。【解決手段】シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、ワニスを主成分とする樹脂と、カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、を含有するマイクロバリスタコンポジットは、その分散液が絶縁性の織布に含浸させて非線形抵抗材料を成す。この非線形抵抗材料は、固定子２のコイルエンド３０の高抵抗層１３を成す。【選択図】図１
Description
本発明は、中高電圧技術において、特に高周波及びに高電圧仕様の回転機に適用される非線形抵抗特性を有するマイクロバリスタ粒子を含む非線形抵抗材料に関する。
高周波及び高電圧仕様の回転機は、その固定子のコイルエンドの高電界領域において、従来からシリコンカーバイドを無機フィラーとした塗料材料またはこの塗料材料を含浸したプリプレグテープ、ドライテープなどの絶縁材料が適用されている。
一方、酸化亜鉛マイクロバリスタは、非線形抵抗特性、サージ電流耐量などの特性が比較的優位であることが知られ、エポキシ樹脂等の樹脂と混錬してコンポジット化することで、当該特性がさらに向上することが知られている（特許文献１）。
回転機の高周速及び大容量化を図る場合、その固定子のコイルエンドにおけるシリコンカーバイドを主成分とするコロナ放電防止層において局部的な発熱や放電が発生して加速的に劣化消失する問題がある。
本発明は、以上の事情を鑑み、高周波及び高電圧仕様の回転機の固定子のコイルエンドにおける電界緩和の向上を図ることを課題とする。
そこで、本発明の一態様は、シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、ワニスを主成分とする樹脂と、カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、を含有したマイクロバリスタコンポジットである。
本発明の一態様は、シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、ワニスを主成分とする樹脂と、カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、を含有したマイクロバリスタコンポジットの分散液である。
本発明の一態様は、シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、ワニスを主成分とする樹脂と、カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、を含有したマイクロバリスタコンポジットの分散液を、含浸させた非線形抵抗材料である。
本発明の一態様は、シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、ワニスを主成分とする樹脂と、カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、を含有したマイクロバリスタコンポジットの分散液を絶縁性の織布に含浸させた非線形抵抗材料からなる高抵抗層を、固定子のコイルエンドに設けた電界緩和構造である。
以上の本発明によれば、高周波及び高電圧仕様の電動機のコイルエンドでの電界緩和の向上を図ることができる。
以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
本発明のマイクロバリスタコンポジットは、例えば図１に示された高電圧回転機の固定子コイル３のコイルエンド３０における高電界領域に確保される電界緩和構造１に適用される。
（電界緩和構造１）
電界緩和構造１は、固定子２の鉄心２１に組み込まれる固定子コイル３において、主絶縁層１１、第一低抵抗層１２、高抵抗層１３、第二低抵抗層１４及び低抵抗ライナー層１５を有する。
電界緩和構造１は、固定子２の鉄心２１に組み込まれる固定子コイル３において、主絶縁層１１、第一低抵抗層１２、高抵抗層１３、第二低抵抗層１４及び低抵抗ライナー層１５を有する。
主絶縁層１１は、ガラス繊維やポリエステルシートから成る基材にマイカ粉をまぶして接着材により貼り合わせたテープ材料から成り、固定子コイル３の導体３１の外層に巻回配置される。導体３１はコイル状またはバー状の態様を成す。
第一低抵抗層１２は、固定子２の鉄心２１の溝に収められる導体３１の直線部とコイルエンド３０側の鉄心２１近傍部位の主絶縁層１１の外層に券回配置される。第一低抵抗層１２は、比較的抵抗率の低いテープ材料や導電性塗料から成る。前記テープ材料としては、ポリエステル織布、ガラス織布等の基材に対して、カーボンブラックとエポキシ樹脂等とを混合させた導電性塗料を含浸または塗工した後に硬化させたもの挙げられる。前記導電性塗料としては、カーボンブラックとエポキシ樹脂等とを混合したものが挙げられる。
高抵抗層１３は、第一低抵抗層１２よりも抵抗率の高い後述の非線形抵抗材料から成り、第一低抵抗層１２の終端に接して主絶縁層１１の外層に券回配置される。
第二低抵抗層１４は、第一低抵抗層１２と同等の抵抗率を有するテープ材料または導電性塗料からなり、第一低抵抗層１２の終端に近傍する高抵抗層１３の一部にオーバーラップして第一低抵抗層１２の外層に券回配置される。
低抵抗ライナー層１５は、熱収縮性フィルムとポリエステル織布若しくはガラス織布で構成されたテープ材料から成り、第一低抵抗層１２の外層に巻回配置される。前記テープ材料には、硬化状態（Ｂステージ）のエポキシ樹脂を含有させてもよい。
（高抵抗層１３）
高抵抗層１３は、シランカップリング処理した酸化亜鉛を含むマイクロバリスタフィラーと、ワニスを含む樹脂と、カーボンブラックを含む導電性フィラーと、を有するマイクロバリスタコンポジットをテープ状の絶縁性基材に含侵させた非線形抵抗材料から成る。前記分散液は要求される高抵抗層１３の電気特性が発現するように前記マイクロバリスタフィラー、前記樹脂、前記導電性フィラーの配合比が調整される。
高抵抗層１３は、シランカップリング処理した酸化亜鉛を含むマイクロバリスタフィラーと、ワニスを含む樹脂と、カーボンブラックを含む導電性フィラーと、を有するマイクロバリスタコンポジットをテープ状の絶縁性基材に含侵させた非線形抵抗材料から成る。前記分散液は要求される高抵抗層１３の電気特性が発現するように前記マイクロバリスタフィラー、前記樹脂、前記導電性フィラーの配合比が調整される。
前記シランカップリング処理に供されるシランカップリング剤は、前記樹脂とコンポジット化した際の酸化亜鉛の分散性さらには前記導電性フィラーと共に前記基材に含侵した際の高抵抗層１３の強度性及び耐熱性が確保できれば特に限定しない。前記シランカップリング剤としては、ビニル系、エポキシ系、スチリル系、メタクリル系、アクリル系、アミノ系、イソシアヌレート系、ウレイド系、メルカプト系、イソシアネート系、酸無水物系の周知のものが例示される。
前記導電性フィラーは、カーボンブラックが樹脂成分と適宜に配合されることで導電性が調整される。前記樹脂成分としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、塩化ビニル系樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂若しくはこれらの混合物が例示される。
前記樹脂のワニスは、前記分散性、強度性及び耐熱性が確保できれば特に限定しない。前記ワニスとしては、中高電圧回転機の動作温度に応じて固定子コイル３に適用される周知のものが採用される。例えば、耐熱クラスがＨ種（許容最高温度１８０℃）のものが挙げられる。Ｈ種のワニスとしては、フェノール変性アルキド樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ変性ポリエステルイミド樹脂のいずれかを主成分とするものが例示される。
前記テープ状の絶縁性基材も、前記分散性、強度性及び耐熱性が確保できれば特に限定しない。前記絶縁性基材としては、第一低抵抗層１２及び第二低抵抗層１４に適用されているポリエステル織布、ガラス織布に例示される絶縁性の織布が挙げられる。
（高抵抗層１３の製造工程）
図２を参照して高抵抗層１３の製造工程（Ｓ１～Ｓ５）の一例について説明する。
図２を参照して高抵抗層１３の製造工程（Ｓ１～Ｓ５）の一例について説明する。
Ｓ１：酸化亜鉛及びカーボンブラックを各々造粒して顆粒化する。
Ｓ２：前記顆粒化させた酸化亜鉛を焼結及び擂潰することで酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーを得る。また、前記顆粒化させたカーボンブラックを焼結及び擂潰することでカーボンブラックを主成分とする導電性フィラーを得る。尚、前記マイクロバリスタフィラーは、さらに、シランカップリング剤を用いた乾式処理法または湿式処理法により表面処理される。
Ｓ３：樹脂成分として選択されたＨ種ワニスに前記導電性フィラーを添加して所定の回転速度の攪拌により分散させて導電性フィラーの分散液ａを得る。そして、この分散液ａに対して前記マイクロバリスタフィラーを添加して所定の回転速度の攪拌により混練してマイクロバリスタコンポジットの分散液ｂを得る。分散液ｂは塗工及び含浸性に応じてシンナー等の希釈材料を用いた希釈により粘度が適宜に調整される。
Ｓ４：分散液ｂを攪拌しながら被塗装対象物（例えば、ポリエステル織布またはガラス織布からなるテープ状の絶縁性基材）に塗工する。
Ｓ５：前記塗工に供した被塗装対象物を所定の昇温速度で目標温度まで昇温して所定時間保持した後に自然冷却により硬化すると非線形抵抗材料が得られる。この非線形抵抗材料は高抵抗層１３として利用に供される。
以下、本発明のマイクロバリスタコンポジットの実施例について説明する。
（実施例１）
Ｓ１～Ｓ５の工程で得られた実施例１の非線形抵抗材料をコイルエンド３０の高抵抗層１３として適用した。
Ｓ１～Ｓ５の工程で得られた実施例１の非線形抵抗材料をコイルエンド３０の高抵抗層１３として適用した。
特に、Ｓ３の混練の工程において、樹脂として選択された明電ケミカル社製のＨ種ワニス（フェノール変性アルキド樹脂）に対して東海カーボン社製のカーボンブラックを主成分とする導電性フィラーを添加して１５００～２０００ｒｐｍの回転速度の攪拌による分散により分散液ａを得た。次いで、信越シリコーン社製のエポキシ系のシランカップリング剤によりシランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーを分散液ａに添加して１５００～２０００ｒｐｍの分散により分散液ｂを得た。尚、マイクロバリスタの比表面積が２～６×１０-2［ｍ2／ｇ］である場合の前記シランカップリング剤の処理量［ｇ］は、処理量［ｇ］＝（フィラー［ｇ］×フィラー比表面積［ｍ2／ｇ］）／最小被覆面積［ｍ2／ｇ］とした。
Ｓ４の塗工の工程において、分散液ｂのフィラー成分が沈降しないように攪拌しながら分散液ｂをテープ状の絶縁性基材であるポリエステルガラス交織テープに塗布することで当該テープに分散液ｂを含浸させた。
Ｓ５の工程において、２～３．５℃／ｍｉｎで目標温度（１３０～１６０℃）まで昇温させ、さらに、３～１２時間保持した後、自然冷却による硬化により実施例１の非線形抵抗材料を得た。そして、このテープ状の非線形抵抗材料をコイルエンド３０の主絶縁層１１の外層に巻回して高抵抗層１３を成した。
（実施例２）
実施例２の非線形抵抗材料は、平均粒径が実施例１のものよりも大きい東海カーボン社製のカーボンブラックを用いたこと以外は、実施例１と同様の製造方法により作製した。そして、この非線形抵抗材料をコイルエンド３０の主絶縁層１１の外層に巻回して高抵抗層１３を成した。
実施例２の非線形抵抗材料は、平均粒径が実施例１のものよりも大きい東海カーボン社製のカーボンブラックを用いたこと以外は、実施例１と同様の製造方法により作製した。そして、この非線形抵抗材料をコイルエンド３０の主絶縁層１１の外層に巻回して高抵抗層１３を成した。
（実施例３）
実施例３の非線形抵抗材料は、平均粒径が実施例２のものよりも大きい東海カーボン社製のカーボンブラックを用いたこと以外は、実施例１と同様の製造方法により作製した。そして、この非線形抵抗材料をコイルエンド３０の主絶縁層１１の外層に巻回して高抵抗層１３を成した。
実施例３の非線形抵抗材料は、平均粒径が実施例２のものよりも大きい東海カーボン社製のカーボンブラックを用いたこと以外は、実施例１と同様の製造方法により作製した。そして、この非線形抵抗材料をコイルエンド３０の主絶縁層１１の外層に巻回して高抵抗層１３を成した。
（比較例１）
シリコンカーバイド粒子が混入されたエポキシ樹脂をポリエステルガラス交織テープに含浸して成る従来のテープ状の絶縁材料をコイルエンド３０の主絶縁層１１の外層に巻回して比較例２の高抵抗層１３を成した。
シリコンカーバイド粒子が混入されたエポキシ樹脂をポリエステルガラス交織テープに含浸して成る従来のテープ状の絶縁材料をコイルエンド３０の主絶縁層１１の外層に巻回して比較例２の高抵抗層１３を成した。
（比較例２）
実施例３の非線形抵抗材料は、前記導電性フィラーを含有しない分散液ａを用いたこと以外は、実施例１と同様の製造方法により作製した。そして、この非線形抵抗材料をコイルエンド３０の主絶縁層１１の外層に巻回して高抵抗層１３を成した。
実施例３の非線形抵抗材料は、前記導電性フィラーを含有しない分散液ａを用いたこと以外は、実施例１と同様の製造方法により作製した。そして、この非線形抵抗材料をコイルエンド３０の主絶縁層１１の外層に巻回して高抵抗層１３を成した。
以上の実施例１～３及び比較例１，２の非線形電気材料の電気特性を図３～６に示した。
図３は本発明の実施例１～３及び比較例１のマイクロバリスタコンポジットが適用された高周波（１０００Ｈｚ）仕様の固定子コイル３のコイルエンド３０における１ＧΩ・ｃｍ、１０ＭΩ・ｃｍ及び１ＭΩ・ｃｍでの表面電位［Ｖ］を示す。実施例１～３のマイクロバリスタコンポジットが適用されたコイルエンド３０によれば、固定子２の鉄心２１と近傍する領域、（特に鉄心２１からの距離が２０ｍｍから５０ｍｍの領域）での表面電位の低減が認められ、当該領域での電界の緩和が図られることが示された。
図４は本発明の実施例１～３及び比較例１のマイクロバリスタコンポジットの体積抵抗率を示す。実施例１～３のマイクロバリスタコンポジットによれば、従来技術の比較例１と比べて、０から２０００［Ｖ］の電位において１Ｅ＋００から１Ｅ＋０６［Ωｃｍ］の範囲で体積抵抗率を低減できることが示された。また、実施例１～３と比較例２の体積抵抗率の比較から明らかように、マイクロバリスタコンポジットにおいて、カーボンブラックを含有させることで、体積抵抗率の低減が図られることが示された。さらに、実施例１～３の体積抵抗率の比較から明らかなように、カーボンブラックの粒径を調製することで、所望の電圧の範囲でマイクロバリスタコンポジットの体積抵抗率を調節できることも示唆される。
図５は、図４に示された２０００［Ｖ］，１ＭΩ・ｃｍの実施例１～３及び比較例１のマイクロバリスタコンポジットが適用された高抵抗層１３を有する図１のコイルエンド３０の１５００［Ｖ］，５０［Ｈｚ］及び６６００［Ｖ］，５０［Ｈｚ］での鉄心２１の近傍領域における表面電位を示す。図５に示された特性図の縦軸の表面電位（［％］）は、表面電位が一定となる鉄心２１の末端からの距離が８０ｍｍ以上の領域での表面電位［Ｖ］に対する割合を示す（以下、図６も同様）。実施例１～３によれば、商用周波数（５０［Ｈｚ］）において、入力電圧が高い場合、従来技術の比較例１と比べて電位の傾きが緩やかとなり、優れた電界緩和効果を発揮することが示された。
また、図６は、図４に示された２０００［Ｖ］，１ＭΩ・ｃｍの本発明の実施例１～３及び比較例１のマイクロバリスタコンポジットが適用された高抵抗層１３を有する図１のコイルエンド３０の１５００［Ｖ］，５０［Ｈｚ］及び１５００［Ｖ］，４００［Ｈｚ］での鉄心２１の近傍領域における表面電位を示す。実施例１～３によれば、高周波数（４００［Ｈｚ］）において、入力電圧が低い場合（１５００Ｖ）でも、従来技術の比較例１と比べて電位の傾きが緩やかとなり、優れた電界緩和効果を発揮することが示された。
以上の実施例から明らかなように、本発明によれば、シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、ワニスを主成分とする樹脂と、カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、を含有することで、高周波及び高電圧仕様の電動機のコイルエンドでの電界緩和の向上を図ることができる。
１…電界緩和構造、１１…主絶縁層、１２…第一低抵抗層、１３…高抵抗層、１４…第二低抵抗層、１５…低抵抗ライナー層
２…固定子、２１…鉄心
３…固定子コイル、３０…コイルエンド、３１…導体
２…固定子、２１…鉄心
３…固定子コイル、３０…コイルエンド、３１…導体
Claims (4)
- シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、
ワニスを主成分とする樹脂と、
カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、
を含有したことを特徴とするマイクロバリスタコンポジット。 - シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、
ワニスを主成分とする樹脂と、
カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、
を含有したことを特徴とするマイクロバリスタコンポジットの分散液。 - シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、ワニスを主成分とする樹脂と、カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、を含有したマイクロバリスタコンポジットの分散液を、絶縁性の織布に含浸させたことを特徴とする非線形抵抗材料。
- シランカップリング処理した酸化亜鉛を主成分とするマイクロバリスタフィラーと、ワニスを主成分とする樹脂と、カーボンブラックを主成分とする導電性フィラーと、を含有したマイクロバリスタコンポジットの分散液を絶縁性の織布に含浸させた非線形抵抗材料からなる高抵抗層を、固定子のコイルエンドに設けたことを特徴とする電界緩和構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021135472A JP2023030380A (ja) | 2021-08-23 | 2021-08-23 | マイクロバリスタコンポジット、マイクロバリスタコンポジットの分散液、非線形抵抗材料及び電界緩和構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021135472A JP2023030380A (ja) | 2021-08-23 | 2021-08-23 | マイクロバリスタコンポジット、マイクロバリスタコンポジットの分散液、非線形抵抗材料及び電界緩和構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023030380A true JP2023030380A (ja) | 2023-03-08 |
Family
ID=85414169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021135472A Pending JP2023030380A (ja) | 2021-08-23 | 2021-08-23 | マイクロバリスタコンポジット、マイクロバリスタコンポジットの分散液、非線形抵抗材料及び電界緩和構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023030380A (ja) |
-
2021
- 2021-08-23 JP JP2021135472A patent/JP2023030380A/ja active Pending
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