JP6019809B2 - 絶縁電線及びそれを用いたコイル - Google Patents

Description

本発明は絶縁電線に係り、特に、モータや変圧器等の電気機器のコイル用として好適な絶縁電線及びそれを用いたコイルに関する。

一般に、回転電機や変圧器などの電気機器のコイルには、コイルの用途・形状に合致した断面形状（例えば、丸形状や矩形状）を有する金属導体（導体）の周囲に、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等の樹脂を有機溶剤に溶解させた絶縁塗料を塗布・焼付けして得られる絶縁皮膜を１層又は２層以上形成してなる絶縁被覆層を備えた絶縁電線（エナメル線）が、広く用いられている。

回転電機や変圧器などの電気機器は、インバータ制御にて駆動されるようになってきており、このようなインバータ制御を用いた電気機器では、インバータ制御により発生するインバータサージ（サージ電圧）が高い場合、電気機器のコイルを構成する絶縁電線に、このインバータサージ電圧に起因して部分放電が発生し、絶縁皮膜が劣化することや損傷することがある。

インバータサージ電圧による絶縁皮膜の劣化や損傷を防ぐための方法として、例えば３つ以上の芳香環を有する芳香族ジアミン成分と、酸成分とを含有する芳香族イミドプレポリマーに、２つ以下の芳香環を有する芳香族ジイソシアネート成分を混合してなるポリアミドイミド樹脂絶縁塗料を導体上に塗布し、焼付けして絶縁皮膜を形成した絶縁電線が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、このようなポリアミドイミド樹脂絶縁塗料を用いることで、比誘電率の低い絶縁皮膜が得られ、部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ：Partial Discharge Inception Voltage）の高い絶縁電線が得られるとされている。

特開２００９−１６１６８３号公報

近年では、モータの小型化、高出力化等が望まれているため、インバータ制御により発生するインバータサージ電圧の値が上昇する傾向にあり、従来よりも部分放電が発生しやすい環境下で絶縁電線が使用されることになる。このため、最近の絶縁電線には、従来よりも部分放電開始電圧を高くすることでインバータサージ電圧の値が上昇しても部分放電自体が発生しないことが望まれている。

また、モータの小型化、高電圧駆動等のために、コイルを構成する絶縁電線の高占積率化が検討されている。このため、コイルの放熱性の低下や、コイルに流す電流の大電流化などの環境因子の変化によって、コイルを構成する絶縁電線が高温（例えば１８０℃以上）の環境下で使用されることになるが、このような高温の環境下においても部分放電によって絶縁皮膜が劣化・損傷しないように、高温の環境下において部分放電自体が発生しにくい絶縁電線が望まれている。

しかし、上述のポリアミドイミド樹脂絶縁塗料を用いた場合では、高温の環境下において十分な部分放電開始電圧が得られないことがあった。

従って、本発明の目的は、上記の課題を解決し、高温の環境下においても高い部分放電開始電圧を有する絶縁被覆を備えた絶縁電線及びそれを用いたコイルを提供することにある。

上記目的を達成するために創案された本発明は、導体と、前記導体の周囲に設けられた絶縁被覆と、を備えた絶縁電線であって、前記絶縁被覆は、前記導体の周囲に、ポリイミド樹脂からなる第１絶縁皮膜と、前記第１絶縁皮膜の周囲に、下記化１で表される繰返し単位を有し、イミド濃度が１５．７％以上２９．５％以下であるポリイミド樹脂からなる第２絶縁皮膜と、を有する絶縁電線である。

但し、Ｒ₁は芳香族テトラカルボン酸からカルボキシル基を除いた４価の基（但し、Ｒ ₁ の原料となる芳香族テトラカルボン酸二無水物として２，２−ビス［４−（３，４−ジカルボン酸フェノキシ）フェニル］プロパン酸二無水物（ＢＰＡＤＡ）を除く）であり、
Ｒ₂は芳香族ジアミンからアミノ基を除いた２価の基であり、前記芳香族ジアミンは、４，４'−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニルが含まれている。

前記第２絶縁皮膜は、その皮膜厚さが前記絶縁被覆の全体の厚さに対して８０％以上１００％未満であると良い。

また本発明は、上記いずれかに記載の絶縁電線を用いて形成されたコイルである。

本発明によれば、高温の環境下においても高い部分放電開始電圧を有する絶縁被覆を備えた絶縁電線及びそれを用いたコイルを提供することができる。

本発明に係る絶縁電線の構造例を示す断面図である。 本発明に係る絶縁電線の構造例を示す断面図である。

以下に、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態に係る絶縁電線の構造例を示す断面図である。

この絶縁電線１０は、導体１と、導体１の周囲に設けられた絶縁被覆１１と、を備え、その絶縁被覆１１は、導体１の周囲に、分子中にイミド構造を含む樹脂からなる第１絶縁皮膜２と、第１絶縁皮膜２の周囲に、下記化２で表される繰返し単位を有し、イミド濃度が１５％以上３６％以下であるポリイミド樹脂からなる第２絶縁皮膜３と、を有することが必須である。ここで、イミド濃度とは、下記化３で表されるイミド構造の分子量［Ｍ１］を、下記化４で表される１ユニット当たりの化学構造の分子量［Ｍ２］で除して表される濃度［Ｍ１］／［Ｍ２］をいう。

但し、Ｒ₁は芳香族テトラカルボン酸からカルボキシル基を除いた４価の基であり、
Ｒ₂は芳香族ジアミンからアミノ基を除いた２価の基である。

次に、第１絶縁皮膜２および第２絶縁皮膜３の詳細について説明する。

［部分放電開始電圧の高い絶縁被覆］
本実施の形態に係る絶縁電線１０は、導体１の周囲に形成された分子中にイミド構造を含む樹脂からなる第１絶縁皮膜２と、該第１絶縁皮膜２の直上に形成された第２絶縁皮膜３と、の少なくとも２層を有する絶縁被覆１１を備え、第２絶縁皮膜３はイミド濃度［Ｍ１］／［Ｍ２］が１５％以上３６％以下であり、高温の環境下においても高い部分放電開始電圧を有することを特徴とする。

第２絶縁皮膜３のイミド濃度［Ｍ１］／［Ｍ２］は、１５％以上３６％以下が好ましい。イミド濃度が１５％以上３６％以下の絶縁樹脂であれば製法は特に限定されないが、Ｒ₁の原料となる芳香族テトラカルボン酸二無水物とＲ₂の原料となる芳香族ジアミンとのイミド化反応により合成することが好ましい。

上記化２におけるＲ₁の原料として好適な芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、ピロメリット酸無水物（ＰＭＤＡ）、４，４’−オキシジフタル酸二無水物（ＯＤＰＡ）、２，２−ビス［４−（３，４−ジカルボン酸フェノキシ）フェニル］プロパン酸二無水物（ＢＰＡＤＡ）、３，３’４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）などが挙げられ、これらの芳香族テトラカルボン酸二無水物を１つ又は複数用いることができる。

他方、上記化２におけるＲ₂の原料として好適な芳香族ジアミンとしては、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）、２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン（ＢＡＰＰ）、９，９−ビス（４−アミノフェニル）フルオレン（ＦＤＡ）、４，４’−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニル（ＢＡＰＢ）などが挙げられ、これらの芳香族ジアミンを１つ又は複数用いることができる。

特に、イミド濃度［Ｍ１］／［Ｍ２］が１５％以上３６％以下である第２絶縁皮膜３を得るために、上記化２で表されるポリイミド樹脂中のＲ₁の原料、Ｒ₂の原料の少なくとも一方に３００以上の分子量を有する芳香族テトラカルボン酸二無水物、あるいは芳香族ジアミンが含まれていることが好ましい。より好ましくは、３００以上の分子量を有する芳香族ジアミンとして、ＢＡＰＰ、或いはＢＡＰＰと類似した化学構造を持つＢＡＰＢのうちの少なくとも１つが含まれているのがよい。ＢＡＰＰ、ＢＡＰＢのうちの少なくとも１つが芳香族ジアミンとして含まれていると、耐熱性の低下を抑制しながらポリイミド樹脂中のイミド濃度を３６％以下に低減するのに有効である。このため、高温の環境下においても高い部分放電開始電圧を有することができる。

また、イミド濃度［Ｍ１］／［Ｍ２］が１５％以上３６％以下である第２絶縁皮膜３を得るために、上記化２で表されるポリイミド樹脂中のＲ₁の原料となる芳香族テトラカルボン酸二無水物の分子量と、Ｒ₂の原料となる芳香族ジアミンの分子量との総和が５００以上であることが好ましい。例えば、芳香族テトラカルボン酸二無水物（Ｒ₁）としてＰＭＤＡが含まれており、芳香族ジアミン（Ｒ₂）としてＢＡＰＰが含まれているポリイミド樹脂などがある。

第１絶縁皮膜２は、分子中にイミド構造を含む樹脂からなる絶縁塗料を導体１上に塗布し、焼付けして形成される。この第１絶縁皮膜２を構成する分子中にイミド構造を含む樹脂としては、例えばポリイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などを用いることができる。

第１絶縁皮膜２がポリイミド樹脂から構成される場合は、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミンとのイミド化反応によって得られるポリイミド樹脂からなることが好ましい。この第１絶縁皮膜２を構成するポリイミド樹脂としては、本発明の効果をより得やすくするために、芳香族テトラカルボン酸二無水物の分子量と芳香族ジアミンの分子量との総和が５００未満であることが好ましい。

特に、第１絶縁皮膜２を構成するポリイミド樹脂としては、芳香族テトラカルボン酸二無水物の分子量と芳香族ジアミンの分子量とが共に２５０未満であると効果的である。このとき、第１絶縁皮膜２を構成するポリイミド樹脂を構成する芳香族テトラカルボン酸二無水物、および芳香族ジアミンは、第２絶縁皮膜３を構成するものから選択できる。例えば、芳香族テトラカルボン酸二無水物としてピロメリット酸無水物（ＰＭＤＡ）、芳香族ジアミンとして４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）などの反応から得られ、この場合のイミド濃度は３６．６％である。

言い換えると、絶縁電線１０は、３６％よりも大きいイミド濃度を有するポリイミド樹脂からなる第１絶縁皮膜２と、この第１絶縁皮膜２の直上に形成されて１５％以上３６％以下のイミド濃度を有するポリイミド樹脂からなる第２絶縁皮膜３と、を有する絶縁被覆１１を備える。

また、第１絶縁皮膜２がポリアミドイミド樹脂からなる場合は、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）などの芳香族ジイソシアネートとトリメリット酸無水物（ＴＭＡ）などのトリカルボン酸無水物からなる酸との反応によって得られるポリアミドイミド樹脂を用いることができる。

また、第１絶縁皮膜２がポリエステルイミド樹脂からなる場合は、４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＤＡＭ）などからなる芳香族ジアミンとトリメリット酸無水物（ＴＭＡ）やジメチルテレフタレート（ＤＭＴ）などからなる酸とトリス（２−ヒドロキシエチル）イソシアヌレート（ＴＨＥＩＣ）、グリセリン（Ｇ）、エチレングリコール（ＥＧ）などからなるアルコールとの反応によって得られるポリエステルイミド樹脂を用いることができる。

第１絶縁皮膜２を構成するこれらのポリアミドイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂は、ポリイミド樹脂の場合と同様に、イミド濃度が３６％よりも大きいことが好ましい。

また、第１絶縁皮膜２は、導体との密着性を向上させるための密着向上剤が含まれていてもよい。

この絶縁被覆１１において、部分放電開始電圧を高めるためには、第２絶縁皮膜３は、その皮膜厚さが絶縁被覆１１の全体の厚さに対して８０％以上１００％未満であるとよい。なお、絶縁被覆１１の全体の厚さは、好ましくは４０μｍ〜１５０μｍである。

本実施の形態に係る絶縁電線は、上述したような絶縁被覆を有することにより、高い部分放電開始電圧を有し、高温（例えば、１８０℃以上）での部分放電開始電圧の高い絶縁被覆が得られる。また、絶縁電線の端末部分の導体同士をＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接などの溶接方法によって接続する際に、溶接時の熱で端末周辺の絶縁被覆が剥がれたり、発泡が発生したりするような不具合を防止することができる。

絶縁電線１０に用いられる導体１は、銅導体からなり、主に無酸素銅や低酸素銅が使用される。なお、銅導体はこれに限定されるものではなく、例えば、銅の外周にニッケルなどの金属めっきを施した導体１も使用可能である。また、導体１として、断面が丸形状、あるいは四角形状などの断面形状を有するものが使用できる。なお、ここでいう四角形状とは、図２に示すように、角部が丸みを有する略四角形状の断面からなるものも含むものとする。

上述のように、本発明に係る絶縁電線は、断面が丸形状、あるいは四角形状の導体の表面に、分子中にイミド構造を含むポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂などの樹脂からなる絶縁塗料を塗布し、焼付けして第１絶縁皮膜を形成し、その後、第１絶縁皮膜の表面に、ポリイミド樹脂（化２）からなる絶縁塗料を塗布、焼付けして、イミド構造（化３）の分子量を１ユニット当たりの化学構造（化４）の分子量で除して表されるイミド濃度が１５％以上３６％以下である第２絶縁皮膜を形成して得られる。分子中にイミド構造を含む樹脂で形成した絶縁皮膜（第１絶縁皮膜）を有する絶縁被覆の高温での部分放電開始電圧は、絶縁皮膜上に形成される皮膜（第２絶縁皮膜）のイミド濃度が大きく影響しており、イミド濃度が１５％未満である場合、２３℃といった常温での部分放電開始電圧を向上させることは可能であるが、高温での弾性率が大幅に低下するため、１８０℃以上での部分放電開始電圧が大幅に低下してしまう。イミド濃度が３６％を超える場合は、イミド濃度が高く極性が高いために２５℃といった常温での部分放電開始電圧を向上させることが困難となる。

また、本実施の形態に係る絶縁電線１０では、絶縁被覆１１の周囲に潤滑性を付与するための潤滑性付与絶縁皮膜や、耐傷性を付与するための耐傷性付与絶縁皮膜などを形成しても良い。これらの潤滑性付与絶縁皮膜、および耐傷性付与絶縁皮膜は、絶縁塗料を塗布、焼付けすることによって形成することが好ましい。

以上要するに、本発明の絶縁電線では、導体と、導体の周囲に設けられた絶縁被覆と、を備え、その絶縁被覆は、導体の周囲に、分子中にイミド構造を含む樹脂からなる第１絶縁皮膜と、第１絶縁皮膜の周囲に、上記化２で表される繰返し単位を有し、イミド濃度が１５％以上３６％以下であるポリイミド樹脂からなる第２絶縁皮膜と、を有するようにしている。

これにより、高い部分放電開始電圧を有し、溶接時の導体からの熱伝導による皮膜樹脂の温度上昇による皮膜溶融を抑え、１８０℃以上での部分放電開始電圧の高い絶縁被覆を備えた絶縁電線とすることができる。

また、導体の周囲に形成した第１絶縁皮膜と、第１絶縁皮膜の直上に形成した第２絶縁皮膜の２層を有する絶縁被覆を備えた絶縁電線としたので、第１絶縁皮膜で導体との密着性を向上させつつ、第２絶縁皮膜で部分放電開始電圧を向上させることができる。

さらに、本発明の絶縁電線は、高温の環境下においても高い部分放電開始電圧を有する絶縁被覆を備えるので、小型化、高出力化したモータを構成するためのコイルを形成するのに好適である。

以下に、本発明の実施例および比較例を説明する。

実施例、および比較例におけるポリイミド樹脂塗料、絶縁電線は以下のように調製した。

（実施例１）
攪拌機、還流冷却管、窒素流入管、および温度計を備えたフラスコに、ピロメリット酸無水物（ＰＭＤＡ、分子量：２１８）と４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ、分子量：２００）を等モルとなるように配合し、固形分濃度が１５ｍａｓｓ％となるようにＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を配合した後、室温で１２時間反応し、樹脂塗料Ａを得た。

また、攪拌機、還流冷却管、窒素流入管、および温度計を備えたフラスコに、２，２−ビス［４−（３，４−ジカルボン酸フェノキシ）フェニル］プロパン二無水物（ＢＰＡＤＡ、分子量：５２０）と２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン（ＢＡＰＰ、分子量：４１０）を等モルとなるよう配合し、固形分濃度が１５ｍａｓｓ％となるようにＮ−メチル−２−ピロリドンを配合した後、室温で１２時間反応し、樹脂塗料１（絶縁塗料）を得た。

銅導体上に樹脂塗料Ａを塗布、焼付けし、皮膜厚０．００２ｍｍの絶縁皮膜を形成した後、更に樹脂塗料１を塗布、焼付けを繰り返して、膜厚０．０３８ｍｍの絶縁皮膜を形成することで、合計膜厚０．０４０ｍｍの絶縁皮膜を有する実施例１の絶縁電線を得た。

（実施例２）
攪拌機、還流冷却管、窒素流入管、および温度計を備えたフラスコに、４，４’−オキシジフタル酸二無水物（ＯＤＰＡ、分子量：３１０）と４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ、分子量：２００）を等モルとなるよう配合し、固形分濃度が１５ｍａｓｓ％となるようにＮ−メチル−２−ピロリドンを配合した後、室温で１２時間反応し、樹脂塗料２を得た。

銅導体上に樹脂塗料Ａを塗布、焼付けし、膜厚０．００２ｍｍの絶縁皮膜を形成した後、更に樹脂塗料２を塗布、焼付けを繰り返して、膜厚０．０３８ｍｍの絶縁皮膜を形成することで、合計膜厚０．０４０ｍｍの絶縁皮膜を有する実施例２の絶縁電線を得た。

（実施例３）
攪拌機、還流冷却管、窒素流入管、および温度計を備えたフラスコに、ピロメリット酸無水物（ＰＭＤＡ、分子量：２１８）と２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン（ＢＡＰＰ、分子量：４１０）を等モルとなるよう配合し、固形分濃度が１５ｍａｓｓ％となるようにＮ−メチル−２−ピロリドンを配合した後、室温で１２時間反応し、樹脂塗料３を得た。

銅導体上に樹脂塗料Ａを塗布、焼付けし、膜厚０．００２ｍｍの絶縁皮膜を形成した後、更に樹脂塗料３を塗布、焼付けを繰り返して、膜厚０．０３８ｍｍの絶縁皮膜を形成することで、合計膜厚０．０４０ｍｍの絶縁皮膜を有する実施例３の絶縁電線を得た。

（比較例１）
銅導体上に樹脂塗料Ａを塗布、焼付けを繰り返して、膜厚０．０４０ｍｍの絶縁皮膜を有する比較例１の絶縁電線を得た。

得られた実施例１〜３、比較例１の絶縁電線およびそれに用いた絶縁塗料に対し、以下の評価を行った。

（部分放電開始電圧）
部分放電開始電圧測定は、次の手順で行った。得られた絶縁電線を５００ｍｍに切り出し、ツイストペアの絶縁電線の試料を１０個作製し、端部から１０ｍｍの位置まで絶縁皮膜を削って端末処理部を形成した。測定は、端末処理部に電極を接続し、２５℃−湿度５０％、あるいは１８０℃および２２０℃の雰囲気で、５０Ｈｚの電圧を１０〜３０Ｖ／ｓで昇圧させながら、ツイストペアの絶縁電線に１０ｐＣの放電が毎秒５０回発生する電圧まで昇圧していった。これを３回繰り返しそれぞれの値の平均値を部分放電開始電圧とした。

（溶接性）
作製した絶縁電線から採取した約１０ｃｍの長さの試験片を、１２０℃の温度の恒温槽中に３０分間放置した後、デシケータ中で冷却し、乾燥状態の試験片とした。また、採取した約１０ｃｍ長さの試験片を、温度２５℃、湿度５０％の恒温槽中に３時間放置し、吸湿状態の試験片とした。その後、これら乾燥状態あるいは吸湿状態の試験片の、端末部分の絶縁被覆を先端から約５ｍｍまで除去し、ＴＩＧ溶接装置にて電流８０Ａで０．３秒の条件で端末部分をそれぞれ溶接した。そのときの外観を電子顕微鏡で観察し、絶縁被覆の剥がれ、発泡の無いものを「○」（合格）、絶縁被覆の剥がれ、発泡が見られるものを「×」（不合格）とした。

実施例、および比較例の各種測定評価結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜３に係る絶縁電線では、常温および高温での部分放電開始電圧が共に高く、溶接性も良好な結果が得られた。他方、比較例１では、高温での部分放電開始電圧が低く、また溶接性が劣る結果であった。

以上より、導体と、導体の周囲に設けられた絶縁被覆と、を備え、その絶縁被覆は、導体の周囲に、分子中にイミド構造を含む樹脂からなる第１絶縁皮膜と、第１絶縁皮膜の周囲に、上記化２で表される繰返し単位を有し、イミド濃度が１５％以上３６％以下であるポリイミド樹脂からなる第２絶縁皮膜と、を有することにより、高い部分放電開始電圧を有し、溶接時の導体からの熱伝導による皮膜樹脂の温度上昇による皮膜溶融を抑え、１８０℃以上での部分放電開始電圧の高い絶縁皮膜を有する絶縁被覆を備えた絶縁電線を提供することができる。

１ 導体
２ 第１絶縁皮膜
３ 第２絶縁皮膜
１０ 絶縁電線
１１ 絶縁被覆

Claims (3)

1. 導体と、前記導体の周囲に設けられた絶縁被覆と、を備えた絶縁電線であって、
   前記絶縁被覆は、前記導体の周囲に、ポリイミド樹脂からなる第１絶縁皮膜と、
   前記第１絶縁皮膜の周囲に、下記化１で表される繰返し単位を有し、イミド濃度が１５．７％以上２９．５％以下であるポリイミド樹脂からなる第２絶縁皮膜と、を有することを特徴とする絶縁電線。
   但し、Ｒ₁は芳香族テトラカルボン酸からカルボキシル基を除いた４価の基（但し、Ｒ ₁ の原料となる芳香族テトラカルボン酸二無水物として２，２−ビス［４−（３，４−ジカルボン酸フェノキシ）フェニル］プロパン酸二無水物（ＢＰＡＤＡ）を除く）であり、
   Ｒ₂は芳香族ジアミンからアミノ基を除いた２価の基であり、前記芳香族ジアミンは、４，４'−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニルが含まれている。
2. 前記第２絶縁皮膜は、その皮膜厚さが前記絶縁被覆の全体の厚さに対して８０％以上１００％未満である請求項１記載の絶縁電線。
3. 請求項１又は２に記載の絶縁電線を用いて形成されたことを特徴とするコイル。