JP5253832B2

JP5253832B2 - 絶縁シート、固定子コイルおよび回転電機

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Publication number: JP5253832B2
Application number: JP2008027385A
Authority: JP
Inventors: 徹志岡本; 憲之岩田; 浩幡野; 史雄澤; 幹雄垣内; 謙長倉; 和哉瀬川; 竹敏長野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-02-07
Also published as: JP2009187817A

Description

本発明は、水車発電機やタービン発電機などの回転電機の固定子コイルの電気絶縁層を形成する絶縁シート、この絶縁シートが使用された固定子コイル、およびこの固定子コイルを備えた回転電機に関する。

電磁機器において、高効率化、小型化および低コスト化を図る一つの方法として、電磁コイルの冷却性能を向上させることが挙げられる。電磁コイルの冷却性能を向上させる方法として、電磁コイルの周辺に用いられている電気絶縁性の材料を高熱伝導化させることが挙げられる。従来、電気絶縁性の材料の高熱伝導化を図るために、無機粉末を含有する裏打ち材を備えた高熱伝導性のマイカ基材が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、鱗片状の高熱伝導材料を含有することにより、電気絶縁性の材料の高熱伝導化を図った技術も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−９３２５７号公報特開平１１−３２３１６２号公報

しかしながら、従来の無機粉末を含有する裏打ち材を備えたマイカ基材では、裏打ち材に用いている高熱伝導性を示す材料が十分な熱伝導性を示さないため、電磁コイルを形成したときの電気絶縁層の熱伝導性は十分なものではなかった。また、従来の鱗片状の高熱伝導材料を含有して形成された電気絶縁層では、鱗片状の高熱伝導材料のアスペクト比が十分に大きくないとマイカペーパを作製することができない。そして、高熱伝導材料としてアスペクト比の大きい鱗片アルミナを用いているが、この材料は誘電率が大きいため、電気絶縁材料の用途としては好ましくない。すなわち、従来の電気絶縁材料では、高熱伝導性と電気絶縁性との両立を図ることは困難であった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、優れた電気絶縁特性を維持しつつ、熱伝導性を向上させることができる絶縁シートを提供すること目的とする。また、この絶縁シートを備えた固定子コイル、この固定子コイルを備えた回転電機を提供すること目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、コイル導体束に巻回されることで電気絶縁層を形成する絶縁シートであって、粘土鉱物を含有した樹脂からなる粘土鉱物層と、前記粘土鉱物層の一方の表面に積層され、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の充填材を含有した樹脂が含浸、または少なくとも一方の表面に塗布された補強基材からなる基材層と、前記粘土鉱物層の他方の表面に形成され、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の充填材を含有した樹脂からなる熱伝導層とを具備し、前記基材層および前記熱伝導層に含有される充填材の体積を前記粘土鉱物層に含有される粘土鉱物の体積で除した値が０．７５以上であり、かつ前記熱伝導層に含有される充填材の体積を、前記熱伝導層および前記基材層に含有される充填材の体積で除した値が０．１〜０．９であることを特徴とする絶縁シートが提供される。

また、本発明の一態様によれば、コイル導体束と、前記コイル導体束に、上記した絶縁シートを巻回して形成された電気絶縁層とを具備することを特徴とする固定子コイルが提供される。

また、本発明の一態様によれば、上記した固定子コイルを備えることを特徴とする回転電機が提供される。

本発明の絶縁シートによれば、優れた電気絶縁特性を維持しつつ、熱伝導性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る一実施の形態の絶縁シート１０の断面を模式的に示す図である。図１に示すように、絶縁シート１０は、粘土鉱物層２０と、この粘土鉱物層２０の一方の表面に積層された基材層３０と、粘土鉱物層２０の他方の表面に形成された熱伝導層４０とを備えている。

粘土鉱物層２０は、粘土鉱物２１を含有した樹脂２２からなる層である。粘土鉱物２１としては、耐コロナ性に優れているものが好ましく、具体的には、雲母群、マイカ群、スメクタイト群、バーミキュライト群からなる鉱物群から少なくとも一成分を選択したものであることが好ましい。雲母群に属する粘土鉱物としては、例えば、白雲母、黒雲母、パラゴナイト、レビトライト、マーガライト、クリントナイト、アナンダイト等が挙げられる。マイカ群に属する粘土鉱物としては、例えば、クロライト、フロゴパイト、レピドライト、マスコバイト、バイオタイト、パラゴナイト、マーガライト、テニオライト、テトラシリシックマイカ等が挙げられる。スメクタイト群に属する粘土鉱物としては、モンモリロナイト、ヘクトライト、サポナイト、ソーコナイト、バイデライト、ステブンサイト、ノントロナイト等が挙げられる。バーミキュライト群に属する粘土鉱物としては、トリオクタヘドラルバーミキュライト、ジオクタヘドラルバーミキュライト等が挙げられる。なお、上記した粘土鉱物を単体あるいは少なくとも２種以上混合した混合物として使用してもよい。また、上記した粘土鉱物の中でも、低コストおよび高アスペクト比の観点から粘土鉱物２１として好適な材料は、雲母（マイカ）である。

また、粘土鉱物２１は、鱗片形状を有し、アスペクト比、すなわち縦と横の長さの比が１／１００以上であることが好ましい。鱗片形状が好ましいのは、マイカテープ製造の際、マイカ紙を抄紙する工程で粘度鉱物が配向するからである。また、アスペクト比が１／１００以上であることが好ましいのは、１／１００よりも小さい場合には、十分な絶縁破壊強度を得ることができないからである。

また、粘土鉱物層２０を構成する樹脂２２としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、紫外線硬化樹脂などの樹脂が用いられる。

熱硬化性樹脂として、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、ポリエステル系樹脂などが用いられる。これらの樹脂のうち、作業性、耐熱性の観点からはエポキシ樹脂を用いることが好ましい。また、熱硬化性樹脂に含まれる硬化剤として、例えば、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、ポリメルカプタン系硬化剤、イソシアネート系硬化剤などが用いられる。酸無水物系硬化剤として、例えば、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、ベンゾヘノンテトラカルボン酸無水物などが挙げられる。これらのうち、熱硬化性樹脂の硬化反応の反応速度を速める硬化剤として、アルミニウムトリスエチルアセトアセテートなどの金属キレート化合物が挙げられる。アミン系硬化剤として、例えば、脂肪族ポリアミン、芳香族アミンなどが挙げられる。熱硬化性樹脂に対する硬化剤の添加量は、必要に応じて適宜設定することができる。また、熱硬化性樹脂は、半硬化状態、すなわちプリプレグ状態で、粘土鉱物層２０を構成していることが好ましい。

熱可塑性樹脂として、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリプロピレンなどが挙げられ、溶融点以上ではいわゆるプリプレグ状態と同様の効果を示す。

紫外線硬化樹脂として、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂が用いられる。光活性を持つ紫外線硬化剤としては、ブレンステッド酸のオニウム塩類や芳香族スルホニウム塩、芳香族ヨウドニウム塩などが挙げられる。

基材層３０は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の充填材３１を含有した樹脂３２が、含浸、または少なくとも一方の表面に塗布された補強基材３３から構成されている。補強基材３３は、例えば、ガラスクロス、不織布などの繊維基材、ポリエチレンテレフタラートなどのフィルム基材などで構成される。ガラスクロスは、目的に応じてガラスクロスの糸の太さや縦糸の本数を調整することができる。また、不織布としては、例えば、ガラス繊維不織布、ポリエステル繊維不織布などが挙げられる。なお、補強基材３３の一方の表面または双方の表面に樹脂３２を塗布する際、ガラスクロス、不織布の織目における空隙にも樹脂３２が充填されることが好ましい。

充填材３１は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料で形成され、具体的には、充填材３１として、チッ化ホウ素、チッ化アルミニウム、チッ化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化マグネシウム、ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、カーボン状ダイヤモンド、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムなどが用いられる。これらのなかでも、特に、テープ製造時に基材を傷めないという観点から、窒化ホウ素、水酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。また、充填材３１として、これらの材料を組み合わせて使用することも可能である。ここで、充填材３１として熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料を用いることが好ましいのは、絶縁シート１０全体として少なくとも熱伝導率を０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とするために、充填材３１の熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが必要となるからである。

また、充填材３１の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、粒子状、鱗片状、繊維状などの形状が挙げられる。例えば、粒子状、鱗片状の場合、球体の場合には直径あるいは非球体の場合には最大長さによる平均粒径は、製造性の理由から０．００１μｍ〜５００μｍであることが好ましい。なお、平均粒径は、レーザー散乱法等の方法によって測定される。また、繊維状の場合、充填材３１の縦横比であるアスペクト比は、製造上の理由から１／１００００以下であることが好ましい。

充填材３１を含有する樹脂３２としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、紫外線硬化樹脂などの樹脂が用いられる。

熱伝導層４０は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の充填材４１を含有した樹脂４２から構成されている。ここで、充填材４１、樹脂４２を形成する材料は、上記した基材層３０を構成する充填材３１、樹脂３２として用いられる材料として説明したものと同じである。

ここで、（１）上記した絶縁シート１０において、基材層３０に含有される充填材３１の体積を、基材層３０を構成する樹脂３２の体積と基材層３０に含有される充填材３１の体積とを加算した体積で除した値が０．３以上であり、かつ熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、熱伝導層４０を構成する樹脂４２の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積とを加算した体積で除した値が０．３以上となるように、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の含有量を調整することが好ましい。基材層３０に含有される充填材３１の体積を、基材層３０を構成する樹脂３２の体積と基材層３０に含有される充填材３１の体積とを加算した体積で除した値、かつ熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、熱伝導層４０を構成する樹脂４２の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積とを加算した体積で除した値を０．３以上とするのが好ましいのは、基材層３０および熱伝導層４０における熱伝導率が向上するからである。なお、基材層３０において補強基材３３に充填材３１を含有した樹脂３２を適正に含浸させるため、および粘土鉱物層２０の他方の表面に熱伝導層４０を適正に形成するために、これらの値は、０．９以下であることが好ましい。また、樹脂や充填材の体積は、重量を密度で除して算出することができる。また、密度が不明な材料の場合は、アルキメデス法等によって密度を測定する。また、以下に示す樹脂や充填材の体積も、これと同様の方法で算出される。なお、上記したように体積比で範囲を限定する理由として、高熱伝導性の充填剤と樹脂の複合体における熱伝導率は、高熱伝導性の充填剤の空間的に占める割合の影響を受けるからである。

また、（２）上記した絶縁シート１０において、熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積で除した値、すなわち熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、基材層３０に含有される充填材３１の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を加算した体積で除した値が０．１〜０．９となるように、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の含有量を調整してもよい。熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積で除した値を０．１〜０．９とするのが好ましいのは、この値が０．１よりも小さい場合には、熱伝導層４０における熱伝導率が低下するからであり、０．９よりも大きい場合には、基材層３０を適正に形成することが困難となるからである。また、より好ましい範囲は、０．４〜０．９である。

また、（３）上記した絶縁シート１０において、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値、すなわち基材層３０に含有される充填材３１の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を加算した体積を、粘土鉱物２１の体積で除した値が０．７５以上となるように、各層に含有される粘土鉱物２１や充填材３１、４１の含有量を調整してもよい。基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値を０．７５以上とするのが好ましいのは、粘土鉱物層２０における熱伝導率は小さいが、この値を０．７５以上とすることで、絶縁シート１０全体の熱伝導率を向上させることができるからである。なお、絶縁破壊強度を低下させないために、この値は、０．９５以下であることが好ましい。

ここで、絶縁シート１０は、上記した（１）〜（３）の要件の少なくとも１つを満たすように構成されている。なお、絶縁シート１０は、上記した（１）〜（３）の要件のすべてを満たすように構成されることが好ましい。

次に、本発明に係る一実施の形態の絶縁シート１０の製造方法について説明する。

まず、所定量の上記した粘土鉱物２１を、例えば水などの分散媒中に分散させ、混合し、濾過することによって堆積したシート状の粘土鉱物２１を形成する。ここで、シート状の粘土鉱物２１の形成の際に、堆積したシート状の粘土鉱物２１に圧力を負荷してもよい。

続いて、この堆積したシート状の粘土鉱物２１に樹脂２２を含浸させる。例えば、樹脂２２として熱硬化性樹脂を使用した場合には、熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の粘土鉱物２１を加熱硬化して熱硬化性樹脂を半硬化状態にする。具体的には、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂を使用した場合には、例えば、１３０℃で３０分間加熱硬化して半硬化状態にする。このようにして、粘土鉱物層２０を作製する。

続いて、所定量の上記した充填材３１に、所定量の上記した樹脂３２を混合して混合物を形成する。そして、この混合物を補強基材３３に含浸、または補強基材３３の少なくとも一方の表面に塗布する。例えば、樹脂３２として熱硬化性樹脂を使用した場合には、加熱硬化して熱硬化性樹脂を半硬化状態にする。具体的には、熱硬化性樹脂として、液状エポキシ樹脂と固形エポキシ樹脂の混合物を使用した場合には、例えば、１３０℃で１０分間加熱硬化して半硬化状態にする。このようにして、作製された基材層３０を粘土鉱物層２０の一方の表面上に積層する。この際、粘土鉱物層２０と基材層３０とを接着性を有する樹脂で貼り合わせてもよい。なお、補強基材３３の一方の表面に混合物を塗布する場合には、その塗布面が粘土鉱物層２０側とならないように、外側に向けて粘土鉱物層２０と基材層３０とを積層する。

続いて、所定量の上記した充填材４１に、所定量の上記した樹脂４２を混合して混合物を形成する。そして、この混合物を粘土鉱物層２０の他方の表面に塗布する。例えば、樹脂４２として紫外線硬化型エポキシ樹脂を使用した場合には、紫外線を照射することで半硬化状態にする。また、例えば、樹脂として熱硬化性樹脂を使用した場合には、加熱硬化して熱硬化性樹脂を半硬化状態にする。このようにして、熱伝導層４０を作製し、絶縁シート１０を得る。

なお、例えば、熱硬化性樹脂を用いた場合における樹脂を硬化させるための加熱処理は、各層を形成し積層した後に同時に行ってもよい。また、樹脂を硬化させる条件は使用する樹脂の種類などに応じて適宜設定される。このようにして作製された絶縁シート１０の厚さは、５０〜５００μｍ程度であり、幅は用途に応じて適宜設定できる。

また、このように作製された絶縁シート１０を、素線束からなるコイル導体束に複数回巻回して絶縁層を形成し、固定子コイルを作製することができる。ここで、巻き付け時にマイカ層の剥れを防止する観点から、絶縁シート１０をコイル導体束に巻回する際、絶縁シート１０の熱伝導層４０側がコイル導体束側となるように巻回することが好ましい。

また、作製された固定子コイルを、固定子鉄心の固定子スロット内に挿入して固定することで、回転電機を作製することができる。例えば、粘土鉱物層２０、基材層３０、熱伝導層４０を構成する樹脂として熱硬化性樹脂を使用し、熱硬化性樹脂を半硬化状態として絶縁シート１０を構成した場合には、まず、固定子コイルを固定子鉄心の固定子スロット内に収容し、固定子スロットの入り口付近に楔を打ち込む。続いて、固定子コイルを加熱して絶縁シート１０の熱硬化性樹脂を硬化し、固定子コイルを固定子スロット内に固定する。なお、樹脂として熱硬化性樹脂を用いたときの回転電機の作製方法について例示したが、例えば、絶縁シート１０において、樹脂として半硬化状態の樹脂を用いない場合には、巻回後に絶縁シート１０間に空隙ができることがある。このような場合には、コイル導体束に絶縁シート１０を巻回して作製された固定子コイルを、樹脂が収容されたタンク中に投入し、絶縁シート１０内に樹脂を含浸させる含浸方式等を採用して固定子コイルを作製してもよい。

上記した本発明に係る一実施の形態の絶縁シート１０によれば、粘土鉱物層２０と、この粘土鉱物層２０の一方の表面に積層された基材層３０と、粘土鉱物層２０の他方の表面に形成された熱伝導層４０とを備えることで、優れた電気絶縁特性を維持しつつ、熱伝導性を向上させることができる。また、絶縁シート１０は、従来の絶縁シートに比べて優れた絶縁破壊電界を有しているため、絶縁シート１０によって形成される絶縁層を薄く構成することができる。これによって、固定子コイル全体の大きさを変えずに、コイル導体束の断面積を増やすことが可能となり、結果として多くの電流を流すことができ、容量を増大することができる。一方、コイル導体束の断面積を変えない場合には、高い絶縁破壊電界を有し、信頼性の高い固定子コイル、回転電機を提供することができる。

さらに、絶縁シート１０は、従来の絶縁シートに比べて優れた熱伝導性を有しているため、コイル導体束の冷却効果を高め、コイル導体束の温度を低減させることができる。これによって、電流密度が上昇し、さらにコイル導体束の温度が上昇するによって生じる絶縁シートの劣化を防止することができ、信頼性の高い固定子コイル、回転電機を提供することができる。一方、コイル導体束の温度上昇を従来と同じ温度まで上昇可能とすれば、コイル導体束を流れる電流が多くなり、容量を増大することができる。また、コイル導体束における単位重量あたりの容量を大きくすることができるので、回転電機における発電効率が向上し、発電コストを低減することが可能となる。

なお、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

次に、本発明に係る一実施の形態の絶縁シート１０が優れた電気絶縁特性および熱伝導性を有することを実施例および比較例に基づいて説明する。

（実施例１〜実施例３）
実施例１〜実施例３で使用した絶縁シートは、図１に示した絶縁シート１０と同じ構成であるため図１を参照して説明する。

絶縁シート１０を次のように作製した。

ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とノボラック型エポキシ樹脂の混合物に酸無水物硬化剤を添加した樹脂を焼成集成マイカを抄紙したマイカペーパに含浸させた。その後、８０℃で１０分間、さらに１２０℃で３０分間乾燥してマイカペーパに含浸した樹脂を半硬化状態とし、粘土鉱物層２０を得た。焼成集成マイカの貼りこみ量は８０ｇ／ｍ^２であった。

ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とノボラック型エポキシ樹脂の混合物に、平均粒径が１６μｍのチッ化ホウ素を所定量添加して混練した。この混合物をガラスクロスの織目を埋めるようにガラスクロスの両表面に塗布し、基材層３０を得た。この基材層３０を粘土鉱物層２０の一方の表面に積層した。なお、基材層３０と粘土鉱物層２０は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とノボラック型エポキシ樹脂の混合物によって貼り付いた状態であった。

さらに、上記混合物を粘土鉱物層２０の他方の表面に塗布して熱伝導層４０を形成し、基材層３０および熱伝導層４０の樹脂を１００℃で３０分間乾燥して半硬化状態にし、絶縁シート１０を得た。得られた絶縁シート１０の幅は３２ｍｍで、厚さは２４０μｍであった。また、基材層３０および熱伝導層４０に含有されるチッ化ホウ素（充填材）の充填量は９５ｇ／ｍ^２であり、基材層３０および熱伝導層４０に含有されるチッ化ホウ素（充填材）の体積比率は５６．７％であった。ここで、充填材の体積比率とは、窒化ホウ素と樹脂の体積和に対する基材層３０および熱伝導層４０に含有されるチッ化ホウ素の体積の割合を意味する。

上記したように作製された絶縁シート１０において、実施例１で使用した絶縁シート１０では、基材層３０に含有される充填材３１の体積を、基材層３０を構成する樹脂３２の体積と基材層３０に含有される充填材３１の体積とを加算した体積で除した値が０．５６７であり、かつ熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、熱伝導層４０を構成する樹脂４２の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積とを加算した体積で除した値が０．５６７であった。また、熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積で除した値が０．４であった。また、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積和を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値が１．１９であった。

また、実施例２で使用した絶縁シート１０では、基材層３０に含有される充填材３１の体積を、基材層３０を構成する樹脂３２の体積と基材層３０に含有される充填材３１の体積とを加算した体積で除した値が０．５６７であり、かつ熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、熱伝導層４０を構成する樹脂４２の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積とを加算した体積で除した値が０．５６７であった。また、熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積で除した値が０．６であった。また、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積和を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値が１．１９であった。

また、実施例３で使用した絶縁シート１０では、基材層３０に含有される充填材３１の体積を、基材層３０を構成する樹脂３２の体積と基材層３０に含有される充填材３１の体積とを加算した体積で除した値が０．５６７であり、かつ熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、熱伝導層４０を構成する樹脂４２の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積とを加算した体積で除した値が０．５６７であった。また、熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積で除した値が０．７であった。また、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積和を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値が１．１９であった。

上記した絶縁シート１０を、それぞれ断面が５０ｍｍ×１０ｍｍで、長さが１０００ｍｍのアルミニウム製のコイル導体束に、熱伝導層４０がコイル導体束側となるように１１回巻回し、その外側に離型用のポリプロピレンからなるフィルムを巻回した。そのフィルムの外側に、成形用のステンレス鋼からなる厚さが３ｍｍの板を当て、この板を固定するために、その周囲にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂からなるフィルムを巻回した。このようにして得た固定子コイルをポリエチレンワックスを加熱媒体として満たしたタンク中に浸漬し、温度が１５０℃、圧力が７ＭＰａの条件下に１０時間放置し、絶縁シートを硬化して、試料１〜試料３を得た。

上記した方法で形成された試料１〜試料３について熱伝導率および絶縁破壊電界の測定を行った。熱伝導率の測定は、ＪＩＳ−Ａ１４１２に規定されている定常法を用いて測定し、具体的には、英弘精機製オートΛＨＣ−１１０を用いて行った。絶縁破壊電界の測定は、試料１〜試料３の直線部３００ｍｍの範囲に錫箔を巻きつけ、交流５０Ｈｚにて、短時間昇圧法（昇圧速度２ｋＶ／秒）で行った。

表１は、各試料の構成条件、熱伝導率および絶縁破壊電界の測定結果を示している。なお、熱伝導率および絶縁破壊電界は、後述する比較例１で使用した試料４における熱伝導率および絶縁破壊電界の測定結果をそれぞれ１としたときの比率、すなわち熱伝導率比、絶縁破壊電界比で表示されている。

測定の結果、表１に示すように、試料１における熱伝導率比は１．０５であり、絶縁破壊電界比は１．２であった。試料２における熱伝導率比は１．１５であり、絶縁破壊電界比は１．２５であった。試料３における熱伝導率比は１．２であり、絶縁破壊電界比は１．３であった。

（比較例１）
比較例１で使用した絶縁シートは、実施例１〜実施例３で使用した絶縁シート１０において、熱伝導層４０を備えない以外の構成は、実施例１〜実施例３で使用した絶縁シートの構成と同じとした。すなわち、比較例１で使用した絶縁シートは、基材層と、この基材層の一方の表面に設けられた粘土鉱物層とから構成される。なお、基材層および粘土鉱物層の作製方法、これら両層から絶縁シートを作製する方法は、実施例１〜実施例３における絶縁シート１０の作製方法と同じとした。得られた絶縁シートの厚さは２８０μｍであった。

このようにして作製された絶縁シートでは、基材層に含有される充填材の体積を、基材層を構成する樹脂の体積と基材層に含有される充填材の体積とを加算した体積で除した値が０．５６７であった。また、基材層に含有される充填材の体積を、粘土鉱物層に含有される粘土鉱物の体積で除した値が１．１９であった。また、この絶縁シートを用いて固定子コイルである試料４を作製する方法も、実施例１の作製方法と同じとした。

そして、得られた試料４を用いて、実施例１〜実施例３と同じ測定方法および測定条件で、熱伝導率および絶縁破壊電界の測定を行った。試料４の構成条件、熱伝導率および絶縁破壊電界の測定結果は表１に示されている。

なお、上記したように、表１では、本比較例で使用した試料４における熱伝導率および絶縁破壊電界の測定結果をそれぞれ１として表示している。また、比較例１で使用した絶縁シートは、熱伝導層を備えないため、熱伝導層に含有される充填材の体積Ｖ_Ｂと基材層３０に含有される充填材３１の体積Ｖ_Ａの比は０：１００である。すなわち、比較例１で使用した絶縁シートでは、基材層にすべての充填材が含有される。ここでは、充填材の体積比率とは、基材層を構成する樹脂の体積に対する基材層に含有されるチッ化ホウ素の体積の割合を意味する。

（実施例１〜実施例３および比較例１における結果の比較）
図２は、熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積Ｖ_Ｂを、基材層３０に含有される充填材３１の体積Ｖ_Ａと熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積Ｖ_Ｂとを加算した体積（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ）で除した値（Ｖ_Ｂ／（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ））に対して熱伝導率比および絶縁破壊電界比を示した図である。なお、比較例１で使用した絶縁シートは、熱伝導層を備えないため、熱伝導層に含有される充填材４１の体積Ｖ_Ｂを「０」として、上記の（Ｖ_Ｂ／（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ））を示しているため、その値は「０」となる。

表１および図２に示すように、実施例１〜実施例３の試料１〜試料３の固定子コイルにおける熱伝導率および絶縁破壊電界は、比較例１の試料４の固定子コイルにおけるそれらよりも高い値を示した。以上のことから、充填材であるチッ化ホウ素を含有する熱伝導層４０を備えた方が熱伝導率および絶縁破壊電界の向上を図ることができることがわかった。さらに、充填材であるチッ化ホウ素を含有する熱伝導層４０を備えた場合において、（Ｖ_Ｂ／（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ））の値が０．１以上で熱伝導率および絶縁破壊電界が向上し、０．４以上ではさらに熱伝導率および絶縁破壊電界が向上することがわかった。

（実施例４〜実施例６）
実施例４〜実施例６で使用した絶縁シートは、図１に示した絶縁シート１０と同じ構成であるため図１を参照して説明する。

絶縁シート１０を次のように作製した。

高密度ポリエチレンに平均粒径が１６μｍのチッ化ホウ素を所定量添加して混練した。この混合物をガラスクロスの織目を埋めるようにガラスクロスの両表面に塗布し、基材層３０を得た。この基材層３０を粘土鉱物層２０の一方の表面に積層した。なお、基材層３０と粘土鉱物層２０は、高密度ポリエチレンによって貼り付いた状態であった。

さらに、上記混合物を粘土鉱物層２０の他方の表面に塗布して熱伝導層４０を形成し、基材層３０および熱伝導層４０の樹脂を硬化させて、絶縁シート１０を得た。得られた絶縁シート１０の幅は３０ｍｍで、厚さは２００μｍであった。

上記したように作製された絶縁シート１０において、基材層３０に含有される充填材３１の体積を、基材層３０を構成する樹脂３２の体積と基材層３０に含有される充填材３１の体積とを加算した体積で除した値と、熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、熱伝導層４０を構成する樹脂４２の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積とを加算した体積で除した値とを同じ値に設定した。

実施例４における絶縁シート（試料５）では、この値を０．３とした。実施例５における絶縁シート（試料６）では、この値を０．３９とした。実施例６における絶縁シート（試料７）では、この値を０．５とした。

そして、得られた各試料を用いて、熱伝導率の測定を行った。熱伝導率の測定は、ＪＩＳ−Ａ１４１２に規定されている定常法を用いて測定し、具体的には、英弘精機製オートΛＨＣ−１１０を用いて行った。図３は、熱伝導率の測定結果を示す図である。図３の横軸は、基材層３０に含有される充填材３１の体積を、基材層３０を構成する樹脂３２の体積と基材層３０に含有される充填材３１の体積とを加算した体積で除した値、熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、熱伝導層４０を構成する樹脂４２の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積とを加算した体積で除した値が示されている。ここでは、これらの値を充填材の体積分率という。

（比較例２〜比較例４）
比較例２〜比較例４で使用した絶縁シートは、実施例４〜実施例６で使用した絶縁シート１０において、基材層３０に含有される充填材３１の体積を、基材層３０を構成する樹脂３２の体積と基材層３０に含有される充填材３１の体積とを加算した体積で除した値、および熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、熱伝導層４０を構成する樹脂４２の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積とを加算した体積で除した値が異なる以外の構成は、実施例４〜実施例６で使用した絶縁シートの構成と同じとした。また、絶縁シートの作製方法は、実施例４〜実施例６における絶縁シートの作製方法と同じとした。なお、比較例２〜比較例４において使用した絶縁シート１０は、実施例４〜実施例６で使用した絶縁シート１０と同様に、基材層３０に含有される充填材３１の体積を、基材層３０を構成する樹脂３２の体積と基材層３０に含有される充填材３１の体積とを加算した体積で除した値と、熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積を、熱伝導層４０を構成する樹脂４２の体積と熱伝導層４０に含有される充填材４１の体積とを加算した体積で除した値とを同じ値に設定した。

比較例２における絶縁シート（試料８）では、この値を０．０１とした。比較例３における絶縁シート（試料９）では、この値を０．１５とした。比較例４における絶縁シート（試料１０）では、この値を０．２２とした。

そして、得られた試料８〜試料１０を用いて、実施例４〜実施例６と同じ測定方法および測定条件で、熱伝導率の測定を行った。図３は、熱伝導率の測定結果を示す図である。

（実施例４〜実施例６および比較例２〜比較例４における結果の比較）
図３に示すように、充填材の体積分率が０．３以上で熱伝導率は上昇することがわかった。この充填材の体積分率に対する熱伝導率の変化の傾向は、シュタウファーによって提案されたパーコレーション理論によっても裏付けられる。シュタウファーによれば、無秩序系のパーコレーション理論において、ある体積中に充填材を充填して行ったときに、空間中を通して充填材が連なる体積分率（パーコレーション閾値）は、３次元の場合には０．３３程度であると理論的に示されている。これは本測定結果と比較的よい一致を示している。

また、基材層３０において、ガラスクロスの熱伝導率は、充填材であるチッ化ホウ素の熱伝導率と比較して十分に小さいと考えられ、このような場合には、ガラスクロスを除く空間に対する充填材の配置を考えることが重要となる。そのため、充填材と樹脂の体積和に対する充填材の体積比率を考慮することで、熱伝導性を高めることができる体積比率を検討することが可能になる。このような３成分のパーコレーション理論については、例えば電気学会論文誌Ａ Vol.126， No.10， pp.1004-1012, 2006に記述されている。本絶縁シート１０においては、充填材であるチッ化ホウ素のパーコレーション閾値は、ガラスクロスが入ることによって大きくなることが考えられるが、少なくともチッ化ホウ素と樹脂のみから構成される熱伝導層４０におけるチッ化ホウ素のパーコレーション閾値以上となる。そのため、充填材の体積分率を０．３以上にすることが必要となる。

（実施例７〜実施例１２）
実施例７〜実施例１２で使用した絶縁シートは、図１に示した絶縁シート１０と同じ構成であるため図１を参照して説明する。

絶縁シート１０を次のように作製した。

さらに、上記混合物を粘土鉱物層２０の他方の表面に塗布して熱伝導層４０を形成し、基材層３０および熱伝導層４０の樹脂を硬化させて、絶縁シート１０を得た。得られた絶縁シート１０の幅は３２ｍｍで、厚さは２４０μｍであった。

上記したように作製された絶縁シート１０において、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値を異ならせたものを作製した。

実施例７における絶縁シート（試料１１）では、この値を０．７５とした。実施例８における絶縁シート（試料１２）では、この値を０．８７とした。実施例９における絶縁シート（試料１３）では、この値を０．９５とした。実施例１０における絶縁シート（試料１４）では、この値を０．９８とした。実施例１１における絶縁シート（試料１５）では、この値を１．６３とした。実施例１２における絶縁シート（試料１６）では、この値を１．７とした。

そして、得られた各試料を用いて、熱伝導率の測定を行った。熱伝導率の測定は、ＪＩＳ−Ａ１４１２に規定されている定常法を用いて測定し、具体的には、英弘精機製オートΛＨＣ−１１０を用いて行った。

図４は、熱伝導率の測定結果を示す図である。図４の横軸は、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値が示されている。なお、熱伝導率は、後述する比較例５で使用した試料１７における熱伝導率の測定結果を１としたときの比率、すなわち熱伝導率比で表示されている。

（比較例５）
比較例５で使用した絶縁シートは、実施例７〜実施例１２で使用した絶縁シート１０において、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値が異なる以外の構成は、実施例７〜実施例１２で使用した絶縁シートの構成と同じとした。また、絶縁シートの作製方法は、実施例７〜実施例１２における絶縁シート１０の作製方法と同じとした。

比較例５における絶縁シート（試料１７）では、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値を０とした。すなわち、基材層３０および熱伝導層４０に充填材を含有しない構成とした。

そして、得られた試料１７を用いて、実施例７〜実施例１２と同じ測定方法および測定条件で、熱伝導率の測定を行った。図４は、熱伝導率の測定結果を示す図である。なお、上記したように、図４では、本比較例で使用した試料１７における熱伝導率の測定結果を１として表示している。

（実施例７〜実施例１２および比較例５における結果の比較）
図４に示すように、基材層３０および熱伝導層４０に含有される充填材３１、４１の体積を、粘土鉱物層２０に含有される粘土鉱物２１の体積で除した値が０．７５以上では、基材層３０および熱伝導層４０に充填材を含有しない絶縁シートにおける熱伝導率の１．７倍を超える熱伝導率となることがわかった。

本発明に係る一実施の形態の絶縁シートの断面を模式的に示す図である。熱伝導率および絶縁破壊電界の測定結果を示す図。熱伝導率の測定結果を示す図。熱伝導率の測定結果を示す図。

符号の説明

１０…絶縁シート、２０…粘土鉱物層、２１…粘土鉱物、２２，３２，４２…樹脂、３０…基材層、３１，４１…充填材、３３…補強基材、４０…熱伝導層。

Claims

コイル導体束に巻回されることで電気絶縁層を形成する絶縁シートであって、
粘土鉱物を含有した樹脂からなる粘土鉱物層と、
前記粘土鉱物層の一方の表面に積層され、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の充填材を含有した樹脂が含浸、または少なくとも一方の表面に塗布された補強基材からなる基材層と、
前記粘土鉱物層の他方の表面に形成され、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の充填材を含有した樹脂からなる熱伝導層と
を具備し、
前記基材層および前記熱伝導層に含有される充填材の体積を前記粘土鉱物層に含有される粘土鉱物の体積で除した値が０．７５以上であり、かつ前記熱伝導層に含有される充填材の体積を、前記熱伝導層および前記基材層に含有される充填材の体積で除した値が０．１〜０．９であることを特徴とする絶縁シート。
前記基材層に含有される充填材の体積を、前記基材層を構成する樹脂の体積と前記基材層に含有される充填材の体積とを加算した体積で除した値が０．３以上であり、かつ前記熱伝導層に含有される充填材の体積を、前記熱伝導層を構成する樹脂の体積と前記熱伝導層に含有される充填材の体積とを加算した体積で除した値が０．３以上であることを特徴とする請求項１記載の絶縁シート。
前記樹脂が半硬化状態であることを特徴とする請求項１または２記載の絶縁シート。
コイル導体束と、
前記コイル導体束に、請求項１乃至３のいずれか１項記載の絶縁シートを巻回して形成された電気絶縁層と
を具備することを特徴とする固定子コイル。
請求項４記載の固定子コイルを備えることを特徴とする回転電機。