JP4996086B2 - マイカテープおよびこのマイカテープを用いた回転電機コイル - Google Patents

Description

本発明は、回転電機コイルの導体部の外周に複数層巻回して絶縁層を形成するマイカテープにおいて、特にマイカテープを一定の張力で巻回するときの破断を回避でき、且つ熱伝導特性や耐トラッキング特性に優れたマイカテープおよびこのマイカテープを用いた回転電機コイルに関する。

従来、発電機や電動機などの回転電機のコイルは、複数の平角素線を束ねた導体の周囲に、電気絶縁性を持たせるためにマイカテープを複数回巻回した後に加熱・加圧して主絶縁層を形成している。

図３は回転電機の固定子コイルの代表的な断面図であり、以下その詳細について説明する。

図３に示すように電磁鋼板を積層してなる固定子鉄心１には、コイルが収納されるスロット１ａが設けられ、このスロット１ａ内に固定子コイル２が収納されている。この固定子コイル２は主に導体部５と絶縁層６で構成される上側コイル２ａと下側コイル２ｂからなり、スロット底部、スロット開口部、上側および下側コイル２ａ，２ｂ間にスペーサ３が配置され、さらにスロット開口部には固定子楔４を挿入してこれら両コイルを一体的に固定している。

上記固定子コイル２において、上側コイル２ａと下側コイル２ｂの導体部５は、高電圧大電流となることがあるが、電圧による地絡等を避けるために導体部５には図２に示すような断面構造のマイカテープを複数回巻回した後、加熱・加圧して電気絶縁性に優れた主絶縁層６を形成している。

ここで、マイカテープは、燐片状のマイカ箔７が集積された層と、その裏側に補強用として用いられるガラス布８からなる。マイカは、絶縁性に優れた材料として一般的に用いられる材料であるが、各マイカ箔の結合力は弱いため、それのみではテープとして巻き付ける際に使用しにくいという難点がある。

そこで、その補強用としてガラス布８を重ねてテープとすることにより、導体部５に高張力で巻回することが可能となる。

一方、コイル通電時においては、導体部５に大電流が流れるとジュール損による発熱が生じるため、このジュール発熱を効率良く除去する必要がある。このジュール発熱を除去する方法としては、水素ガスを用いて冷却したり、空気を用いて冷却したりする方法があるが、いずれの場合も主絶縁層６を介して導体部５から熱を除去することが重要である。

また、主絶縁層６の熱伝導率は、全体の冷却能力に大きく影響することから、主絶縁層６の熱伝導率を高めることが検討されている。具体的には、マイカテープの片側に熱伝導性の高い材料、主に無機フィラ−を配置した構成となっている。

この熱伝導性の高い材料としては、酸化アルミニウムを無機のフィラ−として用いたものがある（特許文献１）。
特開２００３−９４４６号公報

例えば、熱伝導性に優れた無機フィラ−としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等が挙げられる。

しかしながら、一般に熱伝導性に優れた無機フィラ−は硬く、例えば酸化アルミニウムの硬さについてモース硬度を尺度として計測すると硬度は１２である。

前述したようにマイカテープの補強用としてガラス布が用いられているが、ガラスのモース硬度は７程度であり、両者を用いたマイカテープの場合、巻回作業時において、酸化アルミニウムがガラスを傷つけることでガラス布を破断させ、ひいてはマイカテープが破断することがあった。

特に、できるだけ強固な絶縁層を形成するためには、マイカテープを巻回する際にその張力をできるだけ大きくして各層のマイカテープをより密着させることが必要である。この張力を大きくする程、マイカテープ内にかかる圧縮力は高くなり、ガラス布と無機フィラ−の面圧も同時に高くなる。そのため、マイカテープはより破断し易くなるため、絶縁性能上好ましいものではなかった。

本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、一定の張力をかけながら導体部に巻回しても、破断することがなく、かつ無機フィラ−の持つ特性を最大限に発揮できる主絶縁層を形成できるマイカテープおよびマイカテープを用いた回転電機コイルを提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段によりマイカテープおよびマイカテープを用いた回転電機コイルを構成する。

本発明は、マイカ箔とガラス布並びに該ガラス布上に無機フィラーを配置して構成され、且つ回転電機コイルの導体部の外周に複数層巻回して絶縁層を形成するマイカテープにおいて、前記無機フィラーとしてモース硬度が１〜７の範囲内にあり、且つ熱伝導率あるいは耐トラッキング性が前記マイカ箔並びに前記ガラス布よりも優れた無機フィラーを用い、前記無機フィラーの粒径を前記ガラス布の厚みよりも大きくしたものである。

また、本発明は、平角素線を束ねてなるコイル導体部の外周に上記発明のマイカテープを複数層巻回するとともに、加熱・加圧して主絶縁層を形成して回転電機コイルを構成する。

本発明によれば、耐トラッキング性、もしくは熱伝導性に優れた無機フィラーのうち、使用されるマイカテープのガラス布よりも軟らかい粒子、具体的にはモース硬度が１〜７の範囲内の無機フィラ−を用いることにより、一定の張力をかけながら導体部に巻回しても、マイカテープの破断がなく、かつ無機フィラ−の持つ特性、例えば熱伝導性や耐トラッキング特性を最大限に発揮できる主絶縁層を形成することができる。また、このマイカテープをコイル導体に複数回巻回して主絶縁層を形成した回転電機コイルとすれば、従来の回転電機コイルに比較して、小型化できるとともに信頼性の向上を図ることができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態を示すマイカテープの断面図である。

図１に示すマイカテープは、マイカ層７と、ガラス布８並びにモース硬度が１〜７の無機フィラ−９から構成される。

このマイカテープには、マイカ層７と無機フィラ−９を保持し、かつ加熱・加圧時に絶縁層を一体化させるために、接着性の樹脂、具体的には酸無水物硬化剤を含むエポキシ樹脂（例えば、油化シェル社製エピコート８２８や１００１）組成物を用い、このエポキシ樹脂組成物をＢステージ化して、プリプレグ状にしたものを用いた。

また、モース硬度が１〜７の無機フィラ−として、アルミニウム水和物（日本軽金属社製）を用い、マイカ層に対して２５重量％の割合で配置した。

このような構成のマイカテープを所定の張力にて導体を模擬した角柱状のアルミバーに所定回数巻きつけた後、２時間以上真空引きを行った。その後、所定量の圧力で加圧しながら、前記エポキシ樹脂組成物の硬化条件に即した加熱処理を行った。

この実験結果、マイカテープの巻回作業時においては、テープの破断がなかった。これにより、アルミニウム水和物の持つ良好な耐トラッキング性、難燃性を持つ絶縁層を形成することができた。また、アルミニウム水和物の熱伝導性は３Ｗ／ｍ・Ｋとマイカテープの熱伝導率（約０．２Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高いので、従来のマイカテープと比較して熱伝導の向上に有効であった。

上記マイカテープにおいて、無機フィラ−としては、上記以外に酸化マグネシウム、もしくは六方晶窒化ホウ素でもよい。これらの無機フィラ−を用いることにより、マイカテープの熱伝導性をより向上させることが可能となる。

ここで、無機フィラ−としてアルミナ、アルミニウム水和物および酸化マグネシウムを用いた各マイカテープの特性の比較例について示すと表１の通りである。

上記表は、テープ巻付性について測定したもので、コイル導体を模擬した角状の金属柱にマイカテープを巻き付け、テープの破断などがないかどうか目視にて観察したものである。

この結果、モース硬度が３の比較例２、モース硬度が６の比較例３においては特にテープが破断することもなく良好な巻付性を示しているのに対し、比較例１に示すモース硬度１２のアルミナにおいてはテープが破断して巻付けることができないことが分かった。

また、比較例２、比較例３についてテープの端裂抵抗を測定した結果、モース硬度の低い無機フィラ−を用いたマイカテープは端裂抵抗が高くなっていることが分かる。これは、モース硬度の低い無機フィラ−の方がマイカテープの基材となるガラスを傷めることがないためである。

このようにガラス布よりも軟らかい無機フィラ−を用いることで、マイカテープの巻回作業時において、テープの破断を回避することができる。

（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。

本実施形態のマイカテープは、図１と同様の構成であるが、さらにコイルの加熱・加圧成形時に用いる含浸樹脂に不溶の結着材を用いて無機フィラ−９を保持するようにしたものである。

このマイカテープを所定の張力にて、導体を模擬した角柱状のアルミバーに所定回数巻付けた後、２時間以上の真空引きを行い、さらに含浸樹脂を真空加圧含浸させた。

上記含浸樹脂は、特開平１１−３４５７３３号公報に開示されている４５重量％の脂環式エポキシ化合物、４０重量％の酸無水物硬化剤、１５重量％の反応性希釈剤の組成物によって得られる。

この含浸樹脂は、常温での粘度が約３０ｍＰａ・ｓという低粘度樹脂のため、この含浸樹脂は含浸後の加熱工程時において、無機フィラ−が流出することがあった。

しかしながら、本実施形態では、高張力の下でマイカテープを巻回することができるため、無機フィラ−がマイカ層の間で強く保持された状態となり、これにより樹脂含浸後の加熱工程においても、マイカテープからの無機フィラーの流出を抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に本発明の第３の実施形態について説明する。

本実施形態では、マイカテープの構成要素の一つであるガラス布として、織り糸間の間隔の広い目抜きガラス布を用いたものである。この場合、ガラス繊維の密度が低くなるため、ガラス布の強度は半分以下となり、また無機フィラ−が主にガラス布の目と目の間に配置され、ガラスと無機フィラーとが接触する。

ここで、モース硬度が７を超える粒子、例えばアルミナを用いた場合にはガラス布が容易に切れてしまい、アルミバーにテープを所定の張力で巻付けることができなかった。

これに対し、アルミニウム水和物を用いた場合は、そのモース硬度が低いのでマイカテープが破断することなく巻回作業を行うことができた。

このようにガラス布として、織り糸間の間隔の広い目抜きガラス布とすることにより、マイカテープ全体に占めるガラスの割合を下げることができ、その割合の分だけアルミニウム水和物に充填することができる。このことにより、水和アルミナの持つ好適な特性、すなわち耐トラッキング特性、難燃性、熱伝導性をマイカテープに付与することができる。

（第４の実施形態）
次に本発明の第４の実施形態について説明する。

本実施形態では、マイカテープの構成要素の一つである無機フィラ−の粒径をガラス布の厚みよりも大きくしたものである。その一例として、粒径５５μｍのアルミニウム水和物に対し、厚さ３０μｍのガラス布を組合せて使用した。

これにより、マイカテープに加わる応力は、主にマイカ層と無機フィラ−に伝播され、ガラス布の破断、ひいてはマイカテープの破断を無くすことができた。

本実施形態のマイカテープおいては、ガラス布の間にガラス布の厚みよりも粒径の大きな無機フィラ−が配置されているので、マイカテープを複数回巻回することで形成される絶縁層の内部では、各無機フィラ−が上下のマイカ層と直接接触することになる。このことにより、各マイカ層間の熱伝導が良くなり、良好な熱伝導特性をもつ絶縁層を得ることができる。

これに対して、ガラス布の厚みよりも無機フィラ−の粒径が小さい場合、上下のマイカ層と無機フィラーが直接接触しないので、その間に熱伝導率の低い樹脂が介在することになるため、熱伝導が低下し、期待した熱伝導効果は得られない。

上記各実施形態では、無機フィラ−としてアルミニウム水和物を用いる場合について述べたが、アルミニウム水和物に代えて酸化マグネシウム（例えば、協和化学製のパイロキスマ）を用いることで、酸化アルミニウムの良好な熱伝導率をマイカテープに付与することができる。

酸化マグネシウムの熱伝導率は、４８Ｗ／ｍ・Ｋとアルミニウム水和物よりも高いので、より効果的に高熱伝導化を図ることができる。

加えて、酸化マグネシウムのモース硬度は６とガラスのそれよりも低く、ガラス布を傷つけることがないので、マイカテープを導体に巻きつける際に破断することはない。

また、アルミニウム水和物に代えてモース硬度が低く、且つ熱伝導率の高い六方晶窒化ホウ素（例えば、昭和電工製のショウビーエヌ）を用いても良い。さらに、副次的効果として、六方晶窒化ホウ素が低い摩擦特性を持つので、マイカテープの巻回作業時において、テープが滑り易くなり、テープの巻回工程を簡単に行うことができた。

（第５の実施形態）
次に本発明の題５の実施形態について説明する。

本実施形態では、マイカテープの構成要素の一つである無機フィラ−の粒径よりも多くとも３０％の粒径の第二無機フィラ−をさらに付与したものである。

上記無機フィラ−に対して３０％以下の大きさの第二無機フィラ−を付与した場合、この第二無機フィラ−は無機フィラ−の作る内部空隙間に保持される。この場合、前述のガラス布に対して直接接触するのはモース硬度の低い無機フィラ−であり、テープの破断等が起る心配はない。

従って、前述の無機フィラーに対して３０％以下の粒径であれば、モース硬度７を超える粒子を第二無機フィラーとして用いても良い。

しかし、この第二無機フィラーの付与量は、無機フィラーが作る空隙の総体積以上にならないようにする必要がある。

そこで、無機フィラーを粒径５５μｍのアルミニウム水和物とし、粒径６．３μｍのアルミニウム水和物を第二無機フィラーとし、且つこの第二無機フィラーを体積分率にして２０％まで前記無機フィラーに付与してマイカテープを試作した。

この試作したマイカテープを用いて、導体を模擬した角柱状のアルミバーにテープを巻回しても破断がないことが分かった。

上記第二無機フィラーとしては、前述の粒径と付与率の範囲であれば、モース硬度が７を超えるものであっても良い。具体的には、モース硬度が７を超える第二無機フィラーとして、ダイヤモンド、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等がある。勿論、モース硬度７以下の粒子、例えば、酸化マグネシウム、六方晶窒素化ホウ素であっても良い。

これにより、無機フィラー間の空隙に第二無機フィラーが配置されるので、ガラス布に対しては第二無機フィラーが直に接触することを極力回避することができる。

よって、無機フィラーの充填率を高めて特性を向上しつつ、ガラス布の損傷を回避できる。

一方、第二無機フィラーの粒径が無機フィラーの１０％以下である場合には、特性向上が認められなかった。また、第二無機フィラーの付与量が無機フィラーの５％以下の場合にも、特性向上は認められなかった。

（第６の実施形態）
次に本発明の第６の実施形態について説明する。

第６の実施形態では、前述した各実施形態のマイカテープを用いて固定子コイルを製造し、この固定子コイルを図３に示すように固定子鉄心スロットに収納して固定子を構成する。

このような構成の固定子においては、無機フィラーとしてアルミニウム水和物を用いたマイカテープを巻回した固定子コイルの場合は良好な耐電圧特性、難燃性を有し、さらに副次的な効果として熱伝導率の向上に寄与できる。

また、テープの巻回作業時において、マイカテープの破断が殆どなく、テープの巻き直し等、後戻り作業を行う必要がなく、コイルを容易に製造することができる。

さらに、無機フィラーとして酸化マグネシウムもしくは六方結晶ホウ素を用いたマイカテープの場合には、熱伝導特性の大幅な向上に寄与できる。これにより、固定子コイルの温度上昇が抑制されるので、機器全体の小型化に貢献できる。

また、難燃性が向上すれば、機器として長期間の健全性を確保でき、さらに耐電圧特性を向上すれば、機器の高電圧化が可能となり、ひいては導体に流す電流を小さくすることができるので、運転温度の低減と、効率の向上を図ることが可能となる。

一方、コイル導体に前述したマイカテープを巻回して形成される絶縁層は、スロット内鉄心やスペーサと接触して配置されるが、回転電機の起動・停止に伴う熱履歴、あるいは熱膨張、収縮による機械的なストレスを受けることが知られている。この場合、副次的効果として、無機フィラーのモース硬度が一般的な無機フィラー、例えば酸化アルミニウムに比較して低いので、内部に生じるストレスも抑制することができる。ひいては、多数回の起動・停止に伴う熱ストレスによって、絶縁層が機械的に劣化することが抑制されるので、長期間信頼性に優れたコイル絶縁層を持つ回転電機を提供することができる。

本発明の第１の実施形態を示すマイカテープの断面図。 従来の固定子コイル導体に巻回されるマイカテープを示す断面図。 回転電機の固定子鉄心のスロットに収納された固定子コイルを示す断面図。

符号の説明

１…固定子鉄心、１ａ…固定子スロット、２…固定子コイル、２ａ…上側コイル、２ｂ…下側コイル、３…スペーサ、４…楔、５…導体部、６…主絶縁層、７…マイカ箔、８…ガラス布、９…無機フィラー

Claims (10)

1. マイカ箔とガラス布並びに該ガラス布上に無機フィラーを配置して構成され、且つ回転電機コイルの導体部の外周に複数層巻回して絶縁層を形成するマイカテープにおいて、前記無機フィラーとしてモース硬度が１〜７の範囲内であり、且つ熱伝導率あるいは耐トラッキング性が前記マイカ箔並びに前記ガラス布よりも優れた無機フィラーを用い、前記無機フィラーの粒径を前記ガラス布の厚みよりも大きくしたことを特徴とするマイカテープ。
2. 請求項１記載のマイカテープにおいて、前記ガラス布として目抜きガラス布を用いることを特徴とするマイカテープ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のマイカテープにおいて、前記無機フィラーの粒径より大きくても３０％の粒径を持ち、且つ前記無機フィラーに対し体積分率にして多くとも２０％の第二無機フィラーを付与したことを特徴とするマイカテープ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかの項に記載のマイカテープにおいて、前記無機フィラーとしてアルミニウム水和物を用いたことを特徴とするマイカテープ。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれかの項に記載のマイカテープにおいて、前記無機フィラーとして酸化マグネシウムを用いたことを特徴とするマイカテープ。
6. 請求項１乃至請求項３のいずれかの項に記載のマイカテープにおいて、前記無機フィラーとして六方晶窒化ホウ素を用いたことを特徴とするマイカテープ。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかの項に記載のマイカテープにおいて、熱硬化性樹脂を含浸した後にＢステージ化してなることを特徴とするプリプレグ状のマイカテープ。
8. 請求項１乃至請求項６のいずれかの項に記載のマイカテープにおいて、コイルの加熱・加圧成形時に用いる含浸樹脂に不溶の結着材を用いて前記無機フィラーを保持させるようにしたことを特徴とするマイカテープ。
9. 平角素線を束ねてなるコイル導体部の外周に請求項１乃至請求項８のいずれかの項に記載のマイカテープを複数層巻回するとともに、加熱・加圧して主絶縁層を形成したことを特徴とする回転電機コイル。
10. 請求項９に記載の回転電機コイルを備えたことを特徴とする回転電機。

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