JP5579204B2

JP5579204B2 - コイルのワニス含浸処理方法及びコイル

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Publication number: JP5579204B2
Application number: JP2012021858A
Authority: JP
Inventors: 貞治高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: JP2013162606A

Description

この発明は、一般産業用及び民生用のモータ、発電機等において、鉄心に巻かれた巻線間を絶縁処理するコイルのワニス含浸処理方法及びその方法により形成されたコイルに関するものである。

従来、鉄心に導線からなる巻線を巻回してなる固定子コイルや回転子コイルなどにおいて、絶縁性能の向上に加え、巻線間の空隙を充填し巻線から鉄心への熱伝導性を向上させて放熱性を向上させる目的で、ワニス含浸処理が行なわれている。

このようなワニス含浸方法として、コイルを熱硬化性樹脂のワニス中に浸してコイルへワニスを浸透させる浸漬含浸法や、コイルへワニスを滴下して含浸させる滴下含浸法、或いはコイルを真空容器内に収容し、容器内を減圧した状態でコイルをワニス中に浸漬して含浸させる真空含浸法などがある。

特に、滴下含浸法は、必要部分に必要な量だけのワニスを含浸させる事ができ、材料歩留まりの観点から非常に優れた含浸方法であるが、一方で浸漬含浸法や、真空含浸法がワニスの表面張力による毛細管現象に加え、ワニスの静水圧によりコイル中へのワニス浸透が促進されるのに対し、滴下含浸法では主として毛細管現象のみによりワニスがコイル中へ浸透するため、浸漬含浸法や、真空含浸法に比べワニスの浸透性が低く、コイルの巻線間の空隙の残留により、絶縁性能低下や放熱性能の低下が起こる場合がある。

この改善のため、コイルへワニスを滴下しているときに、固定子を振動子で加振して、コイル中の空気層を除去しワニスの浸透を促進する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、滴下時に固定子を鉄心の中心軸を水平に対し５°〜２０°傾けて保持し、傾斜上部のコイル端にワニスを滴下して、ワニスの自重により浸透を促進する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−３２７２０３号公報特開平９−６６２５８号公報

上記特許文献１のワニス含浸方法によれば、滴下中に固定子を加振しコイル中の空気層を除去するため空隙の残留の可能性は低くなるが、振動はワニスの表面張力に影響を与えるわけではないので、浸透速度の増大は見込めず、一旦コイル中の空気層が抜けても、ワニスが浸透しきる前に再びコイル中に空気が入り込み、空隙が残留する可能性があるという問題がある。

また、上記特許文献２のワニス含浸方法によれば、自重によりワニスの浸透速度が増大するため、ワニスの浸透は促進されるが、空気層除去の効果はないため、やはり空隙が残留する可能性があるという問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、確実に空気層を除去し且つ、ワニスの浸透速度を増大させることができるコイルのワニス含浸処理方法と、この方法によりワニスを含浸することで、絶縁性、巻線の放熱性に優れたコイルを得ることを目的としている。

本発明に係るコイルのワニス含浸処理方法は、鉄心に複数層に巻かれた巻線からなるコイルを予熱する予熱工程と、予熱されたコイルにワニスを滴下し含浸するワニス含浸工程と、コイルに含浸されたワニスを加熱して硬化させる加熱硬化工程とを備えたコイルのワニス含浸処理方法において、
上記ワニス含浸工程が、反応性希釈剤を滴下する含浸工程Ａと、主剤、反応開始剤及び上記反応性希釈剤を含む無溶剤型ワニスを滴下する含浸工程Ｂとからなり、上記含浸工程Ａを行なった後、上記含浸工程Ａに連続して上記含浸工程Ｂを行ない、上記無溶剤型ワニスの主剤及び反応開始剤を上記コイルの表面層から最内層に拡散させて上記加熱硬化工程を行うものである。

本発明に係るコイルは、鉄心に複数層に巻かれた巻線からなり上記巻線間に無溶剤型ワニスが含浸されたコイルにおいて、上記請求項１に記載のコイルのワニス含浸処理方法で製造され、上記コイルの表面層における上記無溶剤型ワニスの主剤の濃度をＰ１、上記コイルの中間層における上記無溶剤型ワニスの主剤の濃度をＱ１、上記コイルの最内層における上記無溶剤型ワニスの主剤の濃度をＲ１としたときに、Ｐ１≧Ｑ１≧Ｒ１となっているものである。

本発明に係るコイルのワニス含浸処理方法及びコイルによれば、粘度が低く、浸透速度の速い反応性希釈剤をコイルに充填することでコイル内の空気層を除去し、その後、引き続いて無溶剤型ワニスを滴下することで、コイルの表面層で主剤及び反応開始剤を含む無溶剤型ワニスの濃度が高く、コイルの最内層での主剤及び反応開始剤を含む無溶剤型ワニスの濃度が低くなるような濃度勾配を生じさせ、主剤、反応開始剤のコイルの最内層への浸透拡散速度を増大させることができ、絶縁性、巻線の放熱性に優れたコイルを得ることができる。

電気機器コイルの形成方法を示す模式図である。本発明に係るコイルのワニス含浸工程の実施の形態１を示す模式図である。反応性希釈剤を滴下した後の反応性希釈剤の浸透状態を示す模式断面図である。無溶剤型ワニスを滴下した直後の主剤、反応開始剤の濃度分布を示す模式断面図である。無溶剤型ワニスを滴下した後の最終的な主剤、反応開始剤濃度分布を示す模式断面図である。放熱特性の測定系を模式的に示す装置構成図である。

実施の形態１．
以下、本発明のワニス含浸処理方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、電気機器のコイルの形成方法を示す模式図である。コイル３は鉄心１に複数層に巻回した巻線２により構成される。巻線２にはエナメル線やポリエステルイミド銅線などからなる素線２１が用いられる。図１に示した方法にて形成されたコイル３は、素線２１に吸着した水分及び巻回時に発生した被覆層の歪を除去するため、１００℃以上の温度で予熱され、その後、ワニス含浸処理される。

図２は、本発明に係るコイルのワニス含浸工程の実施の形態１を示す模式図である。予熱工程において、１００℃以上に昇温されたコイル３に対し、図２（ａ）に示したように、反応性希釈剤滴下ノズル４１を通して反応性希釈剤４を滴下してコイル３中に浸透させる含浸工程Ａの後、含浸工程Ａに連続して図２（ｂ）に示したように、無溶剤型ワニス滴下ノズル５１を通して主剤、反応開始剤及び反応性希釈剤を含む無溶剤型ワニス５を滴下する含浸工程Ｂを行う。

図３は、反応性希釈剤を滴下した後の反応性希釈剤の浸透状態を示す模式断面図であり、図４は、無溶剤型ワニスを滴下した直後の主剤、反応開始剤の濃度分布を示す模式断面図であり、図５は、無溶剤型ワニスを滴下した後の最終的な主剤、反応開始剤濃度分布を示す模式断面図である。図３に示したように、反応性希釈剤４は、粘度が低いため、空気層を除去しつつ巻線２の中心部まで均一に浸透する。この状態に無溶剤型ワニス５を滴下すると、図４に示したように、コイル３の表面層９、コイル３の中間層１０、コイル３の最内層１１の順に無溶剤型ワニス５の濃度が低下する濃度勾配が生じる。即ち、図４において、表面層９の主剤と反応開始剤とを合わせた濃度の代表値Ｐ、中間層１０の主剤と反応開始剤とを合わせた濃度の代表値Ｑ、最内層１１の主剤と反応開始剤とを合わせた濃度の代表値ＲはＰ≫Ｑ≧Ｒであり、最内層１１の反応性希釈剤４の層では無溶剤型ワニス５の主剤と反応開始剤とを合わせた濃度が０となる。この濃度勾配により主剤、反応開始剤のコイル３の最内層１１への浸透拡散が促進され、最終的に、図５に示したように巻線２の最内層１１まで主剤、反応開始剤が到達する。このとき図５において、表面層１２、中間層１３、最内層１４各層の主剤、反応開始剤を合わせた濃度の代表値Ｐ１、Ｑ１、Ｒ１はＰ１≧Ｑ１≧Ｒ１となり、また、無溶剤型ワニス５の滴下の初期値(滴下直後の値)との関係では、Ｐ≫Ｐ１、Ｑ＜Ｑ１、Ｒ≪Ｒ１となる。このようにワニスを滴下含浸したコイル３を無溶剤型ワニス５の硬化温度（反応開始剤の分解開始温度以上）にて加熱しワニス含浸処理されたコイル３が得られる。得られたコイル３における表面層１２、中間層１３、最内層１４における主剤の濃度は、反応開始剤が微量であるので、Ｐ１、Ｑ１、Ｒ１となる。

実施例．
以下、本発明についての実施例と比較例を説明する。
鉄心１に線径１．０５ｍｍの素線２１を巻回し、占積率８７％のコイル３を形成した後、素線２１の被覆層のガラス転移温度以上である、１５０℃の熱風乾燥炉内で２時間予熱したコイル３に反応性希釈剤４を１コイル当たり１ｇ滴下（以下、含浸工程Ａと呼称する）した後、無溶剤型ワニス５を１コイルあたり１ｇ滴下（以下、含浸工程Ｂと呼称する）し、その後、熱風乾燥炉内に挿入して１７０℃に昇温し、１７０℃で２時間加熱する加熱硬化工程を行うことによって、無溶剤型ワニス５の主剤及び反応開始剤を拡散させるとともに、ワニスを硬化させ含浸処理されたコイル３を得た。

なお、本実施例で使用した反応性希釈剤４及び無溶剤型ワニス５の組成はそれぞれ以下の通りである。
反応性希釈剤４：２−ヒドロキシエチルメタアクリレート１００ｗｔ％
無溶剤型ワニス５：主剤；エポキシアクリレート５９ｗｔ％、反応性希釈剤；２−ヒドロキシエチルメタアクリレート４０ｗｔ％、反応開始剤；ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキサノエート：１ｗｔ％

比較例１．
鉄心１に線径１．０５ｍｍの素線２１を巻回し、占積率８７％のコイル３を形成した後、素線２１の被覆層のガラス転移温度以上である、１５０℃の熱風乾燥炉内で２時間予熱したコイル３に上記実施例で用いた無溶剤型ワニス５を１コイル３あたり２ｇ滴下し、その後、上記実施例と同様の拡散及び加熱硬化工程によりワニスを硬化させ含浸処理されたコイル３を得た。

比較例２．
鉄心１に線径１．０５ｍｍの素線２１を巻回し、占積率８７％のコイル３を形成した後、素線２１の被覆層のガラス転移温度以上である、１５０℃の熱風乾燥炉内で２時間予熱したコイル３に上記実施例で用いた反応性希釈剤４と無溶剤型ワニス５とを重量比１：１で混合し、粘度調整したワニスを滴下し、その後、上記実施例と同様の拡散及び加熱硬化工程によりワニスを硬化させ含浸処理されたコイル３を得た。

次に、実施例、比較例１、比較例２で得られたコイル３の絶縁性能、巻線の放熱性能の評価を行なった。絶縁性能については、代表値としてコイル３と鉄心間の誘電正接の値を測定した。測定条件はＡＣ２５００Ｖ、６０Ｈｚとし、総研電気（株）製ｔａｎδ測定機ＤＡＣ−ＡＳＭ−７で測定した。図６は、放熱特性の測定系を模式的に示す装置構成図である。鉄心１にヒートシンク６を取り付けた状態で、コイル３に交流電源７よりＡＣ１００Ｖ、６０Ｈｚの電圧を印加し抵抗計８で初期及び１時間通電後のコイル３の抵抗測定を行ない、ＪＩＳ−Ｃ４２０３より下記（式１）に従ってコイル３の温度上昇を求めた。
θ＝θ２−θα＝（Ｒ２／Ｒ１−１）×（２３５＋θ１）
＋（θ１−θα）［℃］・・・（式１）
θ：巻線の温度上昇値、θ１：初期抵抗測定時の巻線温度、θ２：試験後の巻線温度
θα：試験後の室温、Ｒ１：初期抵抗、Ｒ２：試験後の抵抗

表１は、各測定結果をまとめた表である。

誘電正接については、比較例１が５．２％、比較例２が４．３％であるのに対し、実施例では１．６％と最少の値である。これは、実施例においては、滴下含浸時に無溶剤型ワニス５が充分に浸透し、コイル３の巻線２間の隙間に無溶剤型ワニス５が充分に充填されているのに対し、比較例１、比較例２に於いては、滴下含浸時に無溶剤型ワニス５が充分に浸透せず巻線２間に空隙が残留して、巻線２と鉄心１間のモレ電流の増大があることを示している。

また、温度上昇についても、比較例１が６３．２℃、比較例２が５７．１℃であるのに対し、実施例では４８．３℃と最少の値である。これは、実施例では巻線２間及び巻線２−鉄心１間に充分に無溶剤型ワニス５が充填され、巻線２で発生したジュール熱を鉄心１に効率良く熱伝達できているのに対し、比較例１、比較例２においては、巻線２間、巻線２−鉄心１間に空隙があり、巻線２から鉄心１への熱伝達を阻害していることを示している。

以上の結果より、本発明のワニス含浸処理方法を用いた実施例において、コイル３へワニスを滴下含浸する工程に於いて、無溶剤型ワニスの構成材料である反応性希釈剤４のみを滴下する含浸工程Ａと、無溶剤型ワニス５を滴下する含浸工程Ｂを連続して行なうことで、コイル３の巻線２間に無溶剤型ワニス５を充分に充填でき、絶縁性能、巻線２の放熱性能に優れたコイル３が得られたことがわかる。

なお、上記実施例において反応性希釈剤４の配合例が４０ｗｔ％の例を示したが、一般に知られた４０ｗｔ％〜６０ｗｔ％のものを用いることができ、また、反応性希釈剤４、無溶剤型ワニス５の材料例としても上記実施例の材料に限定されるものではない。

また、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

本発明に係るコイルのワニス含浸処理方法及びその方法によるコイルは、一般産業用及び民生用のモータ、発電機等に有効に利用することができる。

１鉄心、２巻線、３コイル、４反応性希釈剤、５無溶剤型ワニス、
６ヒートシンク、７交流電源、８抵抗計、９，１２表面層、
１０，１３中間層、１１，１４最内層、２１素線、
４１反応性希釈剤滴下ノズル、５１無溶剤型ワニス滴下ノズル。

Claims

鉄心に複数層に巻かれた巻線からなるコイルを予熱する予熱工程と、予熱されたコイルにワニスを滴下し含浸するワニス含浸工程と、コイルに含浸されたワニスを加熱して硬化させる加熱硬化工程とを備えたコイルのワニス含浸処理方法において、
上記ワニス含浸工程が、反応性希釈剤を滴下する含浸工程Ａと、主剤、反応開始剤及び上記反応性希釈剤を含む無溶剤型ワニスを滴下する含浸工程Ｂとからなり、上記含浸工程Ａを行なった後、上記含浸工程Ａに連続して上記含浸工程Ｂを行ない、上記無溶剤型ワニスの主剤及び反応開始剤を上記コイルの表面層から最内層に拡散させて上記加熱硬化工程を行うことを特徴とするコイルのワニス含浸処理方法。
鉄心に複数層に巻かれた巻線からなり上記巻線間に無溶剤型ワニスが含浸されたコイルにおいて、上記請求項１に記載のコイルのワニス含浸処理方法で製造され、上記コイルの表面層における上記無溶剤型ワニスの主剤の濃度をＰ１、上記コイルの中間層における上記無溶剤型ワニスの主剤の濃度をＱ１、上記コイルの最内層における上記無溶剤型ワニスの主剤の濃度をＲ１としたときに、Ｐ１≧Ｑ１≧Ｒ１となっていることを特徴とするコイル。