JP6017948B2 - コイル - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、コイルに関する。

従来より、変圧器やリアクトル等の電気機器にあっては、絶縁電線を巻回してなるコイル本体を、絶縁性を有する樹脂でモールドした樹脂モールドコイルが供されている（例えば、特許文献１参照）。前記絶縁電線として、導体（銅線）の外周に絶縁物を直接巻回して構成されるものがあり、前記絶縁物として、アラミド紙と称される周知の耐熱性合成絶縁紙が用いられている。この絶縁電線では、銅線の外周に、テープ状としたアラミド紙が一部を重ねながらスパイラル状に巻回される。この際のアラミド紙の重ね巻回数は、コイルの分担電圧に応じて、例えば２回〜６回とされる。

ところで、上記のアラミド紙は、ＪＩＳ規格の絶縁材料耐熱区分で、Ｃ種（２００℃以上）の長期耐熱寿命を有している。しかし、アラミド紙は、遷移金属に分類される金属に直接触れた状態では、空気中において長時間加熱されると、酸化反応が進行し、熱酸化劣化が促進されて耐熱寿命がＦ種（１５５℃以下）にまで低下してしまうことが知られている。

ここで、前記遷移金属には、有機絶縁材料の熱酸化劣化を促進する効果の大きい順に、コバルト＞マンガン＞銅＞鉄といった種類があり、上記のように、銅線に絶縁物（アラミド紙）を直接巻回する絶縁電線では、銅の影響により絶縁物の寿命が比較的短くなる事情がある（「銅害」と称される）。このような銅害を防止するために、従来では、アラミド紙に、酸化防止剤（或いは抗酸化剤）と称される添加剤が添加されていた。

特開２００５−１１６８１４号公報

しかしながら、絶縁電線の絶縁被覆層に、上記したような酸化防止剤を添加したアラミド紙を用いた場合、アラミド紙が比較的高価になるため、全体としてコスト高となる事情があった。そこで、絶縁被覆層にアラミド紙を用いて優れた耐熱寿命を有するものにあって、熱酸化劣化を抑制しながらも、比較的安価に済ませることができるものが要望されるのである。

尚、前記アラミド紙は、例えばパルプ状のアラミド（全芳香族ポリアミド）のフィブリッドと耐熱性短繊維とをベースとして、和紙を作る方法と同様の湿式抄造の方法によって製造されている。このアラミド紙は、通常の紙のように内部に多くの空隙を有するポーラス状とされている。そのため、部分放電開始電圧（ＣＳＶ）や、部分放電消滅電圧（ＣＥＶ）が比較的低く、変圧器運転時の電圧によって部分放電が発生しやすいものとなり、ひいては、放電による劣化を起こして絶縁寿命が低下することが知られている。

そこで、銅線の外周にアラミド紙からなる絶縁被覆層を設けた絶縁電線を用いたものにあって、比較的安価に済ませながら、絶縁寿命の低下を抑制することができるコイルを提供する。

実施形態のコイルは、絶縁電線を巻回してなるコイル本体を備えるものであって、前記絶縁電線は、銅線の外周に第１の絶縁被覆層を備えると共に、その外周に第２の絶縁被覆層を備え、前記第１の絶縁被覆層は、酸化防止剤を添加したアラミド紙を、前記銅線の外周に少なくとも１回巻装して構成され、前記第２の絶縁被覆層は、酸化防止剤を含まないアラミド紙を、前記第１の絶縁被覆層の外周に１回あるいは複数回巻装して構成されているところに特徴を有する。

実施形態を示すもので、絶縁電線の断面図（ａ）及び銅線に対するアラミド紙の巻装の様子を示す図（ｂ） 変圧器コイル組立体の横断平面図（ａ）及び一部を破断して示す側面図（ｂ） 樹脂モールド工程の様子を概略的に示す図 耐熱寿命の試験結果を示す図 部分放電特性の試験結果を示す図

以下、変圧器に用いられる樹脂モールドコイルに適用した一実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、本実施形態例に係るコイルである樹脂モールドコイル１は、変圧器コイル組立体２の高圧側の一次コイルとして設けられている。

図２は、変圧器コイル組立体２の構成を概略的に示している。この変圧器コイル組立体２は、円筒状をなす巻枠３の外周に低圧側の二次コイル４を備え、その二次コイル４の外周に、冷却用のダクト５を介して一次コイルである樹脂モールドコイル１を備えて構成されている。詳しくは後述するが、樹脂モールドコイル１は、絶縁電線６を巻回してなるコイル本体７を備えると共に、その全体（外面及び内部）を樹脂モールド層８で覆って構成されている。

前記二次コイル４は、絶縁電線１０を巻回して構成され、やはり全体が樹脂モールド層１１で覆われている。前記二次コイル４の外周面部には、例えば合成樹脂製の絶縁シートからなる絶縁物１２が配置されている。樹脂モールドコイル１の内周面部及び外周面部にも、夫々同様の絶縁物１３及び１４が配置されている。前記ダクト５は、二次コイル４の外周と、樹脂モールドコイル１の内周との間に、軸方向に見て波形をなすダクト形成部材５ａを配置することにより、軸方向に延びて形成されている。

尚、前記樹脂モールドコイル１のコイル本体７は多層状をなし、層間には層間絶縁物９が配置されている。また、樹脂モールドコイル１及び二次コイル４からは、夫々図で上方に口出し線１ａ及び４ａが導出されている。さらに、図示はしないが、変圧器としての組立て時には、前記巻枠３の内側には、鉄心が配置される。

ここで、前記樹脂モールドコイル１の樹脂モールド層８、及び、二次コイル４の樹脂モールド層１１は、共に含浸樹脂として例えばエポキシ樹脂から構成され、いわゆる真空加圧含浸法により形成されている。このとき、本実施形態では、変圧器コイル組立体２（樹脂モールド前の二次コイル４及び樹脂モールドコイル１のコイル本体７）に対し、全体を一括して樹脂モールドすることによりそれら樹脂モールド層８，１１が形成されるようになっている。

図３は、真空加圧含浸による樹脂モールドの工程の様子を示している。真空タンク１５内には、樹脂含浸槽１６が設けられ、この樹脂含浸槽１６内に樹脂モールド前の変圧器コイル組立体２が配置される。そして、真空タンク１５内を例えば約１３３Ｐａまで減圧状態とした上で、樹脂注入装置１７により樹脂含浸槽１６内にエポキシ樹脂１８が注入される。これにて、樹脂モールドコイル１の表面周囲及び絶縁電線６同士間、二次コイル４の表面周囲及び絶縁電線１０同士間等に、エポキシ樹脂１８が真空含浸される。その後、真空タンク１５内に乾燥空気を０．５ＭＰａになるまで注入し、エポキシ樹脂の加熱硬化後に、変圧器コイル組立体２が取出され、以て、樹脂モールド層８、１１が形成される。

さて、前記樹脂モールドコイル１（コイル本体７）を構成する絶縁電線６について、図１を参照して述べる。絶縁電線６は、図１（ａ）に示すように、例えば断面矩形状の銅線１９の周囲に、第１の絶縁被覆層２０と第２の絶縁被覆層２１との二重の絶縁被覆を施して構成されている。このとき、前記第１の絶縁被覆層２０は、酸化防止剤を添加したアラミド紙を、前記銅線１９の外周に少なくとも１回巻装して構成され、前記第２の絶縁被覆層２１は、酸化防止剤を含まないアラミド紙を、前記第１の絶縁被覆層２０の外周に１回あるいは複数回（１〜５回）巻装して構成されている。尚、酸化防止剤を添加したアラミド紙及び酸化防止剤を含まないアラミド紙については、共に市販されている周知のものを用いることができる。

より具体的には、第１の絶縁被覆層２０は、図１（ｂ）に示すように、銅線１９の外周に、酸化防止剤が添加されたテープ状アラミド紙２２を、図示しない絶縁テープ巻回機を用いて、スパイラル状に１回巻回して構成される。このとき、テープ状アラミド紙２２は、厚み寸法（平均）が５７μｍで、幅寸法が１４ｍｍであり、端部を約１．５ｍｍずつ重ねて巻回されている。

これに対し、第２の絶縁被覆層２１は、酸化防止剤を含まないテープ状アラミド紙を、同様に、スパイラル状に２回（２重に）巻回して構成されている。このとき、第２の絶縁被覆層２１を構成するテープ状アラミド紙は、厚み寸法（平均）が、４０μｍとされ、第１の絶縁被覆層２０を構成するアラミド紙２２よりも薄く構成されている。幅寸法や、重ね巻き寸法は、テープ状アラミド紙２２と同等とされる。この際の第２の絶縁被覆層２１を構成するテープ状アラミド紙の巻回数は、コイルの分担電圧に応じて、例えば２回〜５回とされる。

さらにこの場合、第１の絶縁被覆層２０を構成する酸化防止剤が添加されたテープ状アラミド紙２２は、面積係数（坪量）の平均が、４０ｇ／ｍ^２ 、かさ密度（平均）が、０．７２ｇ／ｃｍ^３ とされている。これに対し、第２の絶縁被覆層２１を構成する酸化防止剤の無添加のテープ状アラミド紙は、面積係数（坪量）の平均が、２５．６ｇ／ｍ^２ 、かさ密度（平均）が、０．６４ｇ／ｃｍ^３ とされている。つまり、第２の絶縁被覆層２１を構成するアラミド紙のかさ密度が、第１の絶縁被覆層２０を構成するアラミド紙２２のかさ密度よりも小さく構成されている。

尚、第１の絶縁被覆層２０を構成するテープ状アラミド紙２２の面積係数（坪量）を、例えば３４ｇ／ｍ^２ 以上（上限は特に規定しないが例えば５０ｇ／ｍ^２ 以下）とすることができる。これに対し、第２の絶縁被覆層２１を構成するテープ状アラミド紙の面積係数（坪量）を、例えば３０ｇ／ｍ^２ 以下（下限は特に規定しないが例えば２０ｇ／ｍ^２ 以上）とすることが好ましい。また、テープ状アラミド紙２２の厚み寸法を、例えば４８μｍ以上（７０μｍ以下）とし、第２の絶縁被覆層２１を構成するテープ状アラミド紙の厚み寸法を、例えば４６μｍ以下（３０μｍ以上）とすることが望ましい。銅線１９については、断面四角形に限らず、断面が円形であっても良い。

以上のように構成された絶縁電線６を、図示しないコイル巻線機を用いて巻回することにより、コイル本体７が得られ、上記したように、このコイル本体７に対するエポキシ樹脂１８の真空加圧含浸により樹脂モールド層８が形成され、樹脂モールドコイル１が得られる。尚、上記した二次コイル４を構成する絶縁電線１０については、一次コイル（樹脂モールドコイル１）と同等の絶縁電線を採用しても良いが、それに限定されるものではなく、従来より供されている一般的な絶縁電線を採用することができる。

次に、上記構成の作用について、図４及び図５も参照して述べる。本実施形態においては、樹脂モールドコイル１のコイル本体７を構成する絶縁電線６を、銅線１９の外周に、酸化防止剤が添加されたテープ状アラミド紙２２を１回巻回してなる第１の絶縁被覆層２０を設けると共に、その外周に、酸化防止剤を含まないテープ状アラミド紙を２回巻回してなる第２の絶縁被覆層２１を設けて構成した。

このように、第２の絶縁被覆層２１を、酸化防止剤を含まないアラミド紙から構成したので、例えば絶縁被覆層全体を酸化防止剤が添加されたテープ状アラミド紙２２から構成した場合と比較して、大幅なコストダウンを図ることができ、樹脂モールドコイル１全体として安価に済ませることができた。

ここで、絶縁電線６を構成する銅線１９は、遷移金属であり、いわゆる銅害により、直接的に接している絶縁物（アラミド紙２２）寿命が比較的短くなる事情がある。しかし、銅線１９外面に接触する部分（第１の絶縁被覆層２０）については、酸化防止剤を含んだアラミド紙（テープ状アラミド紙２２）が用いられているので、銅害と称される熱酸化劣化を抑制することができ、長期間の耐熱寿命を得ることができる。

一方、第２の絶縁被覆層２１を構成するアラミド紙として、酸化防止剤が添加されていないことに加えて、かさ密度が比較的小さいものを採用している。このとき、アラミド紙は、通常の紙のように内部に多くの空隙を有するポーラス状とされているのであるが、かさ密度が小さいということは、内部の隙間が多く（大きく）なることを意味する。ところが、この第２の絶縁被覆層２１において、内部の隙間が多い（大きい）ことは、上記真空加圧含浸の工程において、エポキシ樹脂が第２の絶縁被覆層２１（アラミド紙）の内部の隙間に含浸されやすくなる。

このように、第２の絶縁被覆層２１に対するエポキシ樹脂の含浸性を向上させ手含浸率を高めることができたことにより、絶縁寿命を低下させる要因となるボイドの発生を少なく済ませることができ、部分放電の発生を抑制することができる。しかも、上記した含浸工程における樹脂含浸に要する時間の短縮化を図ることができる。更に、第２の絶縁被覆層２１の樹脂の含浸量を増やすことができたことに伴い、第２の絶縁被覆層２１の薄型化（絶縁被覆層を薄くしても従来と同等以上の絶縁性能が得られる）が可能となり、第２の絶縁被覆層２１を構成するアラミド紙の厚み寸法を小さくすることができた。

このように第２の絶縁被覆層２１を構成するアラミド紙を、第１の絶縁被覆層２０を構成するアラミド紙２２よりも薄く済ませたことにより、絶縁層全体の厚みを比較的小さく抑えることができ、絶縁電線６の太さ寸法を小さくすることができる。このことは、樹脂モールドコイル１としてのコンパクト化、言い換えれば占積率の向上を達成することが可能となり、ひいては、変圧器としての性能の向上を図ることができるものである。

ちなみに、本発明者は、本実施形態における樹脂モールドコイル１の絶縁寿命を調べるために、実施例の絶縁電線６及び従来例の絶縁電線に対し、耐熱寿命試験並びに部分放電試験を行った。実施例の絶縁電線６は、銅線１９の外周に、酸化防止剤が添加されたテープ状アラミド紙２２を１回巻回してなる第１の絶縁被覆層２０、及び、酸化防止剤を含まないテープ状アラミド紙を２回巻回してなる第２の絶縁被覆層２１を備えるものである。これに対し、従来例の絶縁電線は、銅線１９の外周に、酸化防止剤が添加されたテープ状アラミド紙２２を３回（３重に）巻回して絶縁被覆層を設けたものである。

図４は、耐熱寿命を調べるための加熱加速試験を行った試験結果を示している。ここでは、構造が複雑で外乱が含まれる虞のある実際の樹脂モールドコイル１を用いるのではなく、一般にアローペアと称されるモデルを用いて試験を行っている。このアローペアと称されるモデルは、周知のように、電線と電線との間の絶縁の状態を、より適切に評価できるように考案されたものであり、試験に要するコストも抑えることができる。

具体的には、アローペアとは、電線を約３０ｃｍに切断したものを両端を揃えて２本ペアにして、両端約５ｃｍを残して絶縁紐で一体に縛り、その両端を左右に広げて２線間に電圧を加えることができるようにしたものである。試験にあたっては、アローペアを、その両端が外に出るように金型にセットし、金型内の空間にエポキシ樹脂を真空加圧含浸し、硬化させたものを用いる。実施例、従来例の夫々について、複数のアローペアを用意する。そして、それら実施例及び従来例のアローペアを、３種類の温度とされた乾燥炉に夫々入れ、定期的に取出して耐電圧が１ｋＶで破壊するまでの時間を寿命として調べた。

この場合、従来例については、２００℃、２２０℃、２４０℃の３種類の温度とし、実施例については、２４０℃、２６０℃、２８０℃の３種類の温度としている。図４では、従来例の測定寿命を黒三角、実施例の測定寿命を黒菱形でプロットした。この図４では、縦軸が寿命を示し、対数表示している。また、横軸は、試験温度を、絶対温度の逆数で表わしたもので、通常１／Ｔ表示と呼ばれる。試験温度を１／Ｔで表示し、寿命を対数表示すると、直線関係になることが、アレニウス則として知られており、この試験結果においても、直線関係が得られた。

そこで、変圧器の運転時間に相当する１０万時間を寿命とする温度を外挿推定すると、従来例では、白丸で示すように１５６℃となり、実施例では、かけるで示すように、２０２℃となった。つまり、従来例のものでは、耐熱寿命が、耐熱区分でＦ種相当となっており、実施例では、耐熱寿命がＣ種相当となっている。このことからも、本実施形態の樹脂モールドコイル１では、優れた耐熱寿命が得られることが明らかとなった。

次に、部分放電試験として、部分放電開始電圧を調べた結果を図５に示す。この部分放電試験においても、上記耐熱寿命の試験と同様に、実施例、従来例の夫々について、アローペアに樹脂モールドしたモデルを用いて試験を行った。その結果、従来例では、部分放電開始電圧が３．５ｋＶであったものが、実施例では、４．０ｋＶに向上している。この理由は、上記のように、かさ密度を小さくした第２の絶縁被覆層２１においてエポキシ樹脂の含浸性を良好にすることができ、ボイドが少なく、部分放電の発生を抑制する点で改善が図られたものと推定される。この結果から、本実施形態の樹脂モールドコイル１では、部分放電に対する寿命の向上も期待できることが明らかとなった。

このように本実施形態の樹脂モールドコイル１によれば、コイル本体７を構成する絶縁電線６を、銅線１９の外周に、酸化防止剤が添加されたテープ状アラミド紙２２を１回巻回してなる第１の絶縁被覆層２０を設けると共に、その外周に、酸化防止剤を含まないテープ状アラミド紙を２回巻回してなる第２の絶縁被覆層２１を設けて構成したので、比較的安価に済ませながら、絶縁寿命の低下を抑制することができる等の優れた効果を奏するものである。

尚、上記した実施形態では、樹脂モールド層８を形成する方法として、真空加圧含浸を採用したが、大気圧下で含浸樹脂を注型することにより樹脂モールド層を形成するようにしても良い。また、上記実施形態では、一次コイル１と二次コイル４とを一括して樹脂モールドするようにしたが、個別に樹脂モールドするようにしても良い。その他、各絶縁被覆層を構成するアラミド紙の巻回数や、テープ状アラミド紙の幅寸法、アラミド紙の厚み寸法やかさ比重などの具体的数値は、あくまでも一例を示したに過ぎない等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

図面中、１は樹脂モールドコイル（コイル）、６は絶縁電線、７はコイル本体、８は樹脂モールド層、１９は銅線、２０は第１の絶縁被覆層、２１は第２の絶縁被覆層、２２はテープ状アラミド紙を示す。

Claims (4)

1. 絶縁電線を巻回してなるコイル本体を備えるものであって、
   前記絶縁電線は、銅線の外周に第１の絶縁被覆層を備えると共に、その外周に第２の絶縁被覆層を備え、
   前記第１の絶縁被覆層は、酸化防止剤を添加したアラミド紙を、前記銅線の外周に少なくとも１回巻装して構成され、
   前記第２の絶縁被覆層は、酸化防止剤を含まないアラミド紙を、前記第１の絶縁被覆層の外周に１回あるいは複数回巻装して構成されていることを特徴とするコイル。
2. 前記コイル本体を樹脂により覆った樹脂モールド層を備えていることを特徴とする請求項１記載のコイル。
3. 前記第２の絶縁被覆層を構成するアラミド紙のかさ密度が、前記第１の絶縁被覆層を構成するアラミド紙のかさ密度よりも小さく構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のコイル。
4. 前記第２の絶縁被覆層を構成するアラミド紙の厚み寸法が、前記第１の絶縁被覆層を構成するアラミド紙よりも薄く構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のコイル。

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