JP6030132B2 - エナメル樹脂絶縁積層体並びにそれを用いた絶縁ワイヤ及び電気・電子機器 - Google Patents
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Description
特に、宇宙用電気・電子機器、航空機用電気・電子機器、原子力用電気・電子機器、エネルギー用電気・電子機器、自動車用電気・電子機器用のマグネットワイヤとして用いられるエナメル線等の絶縁ワイヤには、絶縁性に関する要求特性として高い部分放電開始電圧に加えて高温下における優れた絶縁性能と、耐熱性に関する要求特性の1つとして高温下における優れた耐熱老化特性とが要求されている。
このように、インバータ関連機器ではそのインバータ出力電圧の2倍近い電圧がかかることから、それら電気・電子機器コイルを構成する材料の一つであるエナメル(絶縁電線又は絶縁ワイヤともいう)には、インバータサージ劣化を最小限にすることが、要求されるようになってきている。
部分放電開始電圧を測定する際は、マグネットワイヤとして用いられる場合における最も過酷な状況を想定し、密着する二本の絶縁ワイヤの間について観測できるような試料形状を作製する方法が用いられる。例えば、断面円形の絶縁ワイヤについては、二本の絶縁ワイヤを螺旋状にねじることで線接触させ、二本の間に電圧をかける。また、断面形状が方形の絶縁ワイヤについては、二本の絶縁ワイヤの長辺である面同士を面接触させ、二本の間に電圧をかけるという方法である。
実際に、エナメル樹脂の比誘電率を下げる試みがなされている(特許文献1及び2)。しかしながら、特許文献1及び2に記載された樹脂又は絶縁層の比誘電率は3〜4にとどまり、これらの樹脂又は絶縁層を用いて絶縁ワイヤの部分放電開始電圧を1kV(実効値)以上にするには、経験上、絶縁層の厚さを100μm以上にする必要があり、部分放電開始電圧の点でさらに改善の余地がある。
一方、焼き付け炉を通す回数を増やさないために1回の焼き付けで塗布できる厚さを厚くする方法もあるが、この方法では、ワニスの溶媒が蒸発しきれずにエナメル層の中に気泡として残るという欠点があった。
(1)気泡を含む発泡領域と、該発泡領域の少なくとも一方の表面に気泡を含まない無発泡領域を有し、平板状又は筒状に成形されたエナメル樹脂絶縁積層体であって、前記発泡領域は、気泡を含まない無気泡層が該無気泡層の両表面側に独立気泡からなる気泡層を有して構成され、前記無気泡層の厚さが前記独立気泡間の隔壁の厚さより大きく、かつ前記発泡領域の厚さの5〜60%であり、前記発泡領域の少なくとも前記気泡層が熱硬化性樹脂で形成されているエナメル樹脂絶縁積層体。
(2)前記エナメル樹脂絶縁積層体の比誘電率が、200℃において3.0以下である(1)に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
(3)前記エナメル樹脂絶縁積層体の厚さが40μm以上であり、少なくとも一方の前記無発泡領域の厚さが10μm以上である(1)又は(2)に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
(4)前記独立気泡の厚さ方向の最大気泡径が20μm以下である(1)〜(3)のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
(5)前記エナメル樹脂絶縁積層体が、25℃における引張弾性率が1GPa以上の樹脂で形成された表層を有する(1)〜(4)のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
(6)前記表層が、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエステルイミド樹脂及びポリアミド樹脂から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂を含む(5)に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
(7)前記発泡領域が、ポリアミドイミド樹脂及びポリイミド樹脂から選択される少なくとも1種の熱硬化性樹脂を含む(1)〜(6)のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
(8)前記無発泡領域が、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、ポリエーテルイミド樹脂及びポリイミドヒダントイン変性ポリエステル樹脂から選択される少なくとも1種の熱硬化性樹脂を含む(1)〜(7)のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
(9)アルミナ、シリカ及びチタニアから選択される少なくとも1種の粒子を含有する(1)〜(8)のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
(10)導体と、該導体又は該導体上に形成された被覆の外周に絶縁被覆としての(1)〜(9)のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体とを有する耐インバータサージ絶縁ワイヤ。
(11)前記無発泡領域が外周表面側に配置されている(10)に記載の耐インバータサージ絶縁ワイヤ。
(12)(10)又は(11)に記載の耐インバータサージ絶縁ワイヤを有する電気・電子機器。
(13)(10)又は(11)に記載の耐インバータサージ絶縁ワイヤを有するモーター。
(14)(10)又は(11)に記載の耐インバータサージ絶縁ワイヤを有するトランス。
また、本発明のエナメル樹脂絶縁積層体を絶縁層として備えた本発明の耐インバータサージ絶縁ワイヤ及び電気・電子機器は、部分放電開始電圧と絶縁破壊電圧が高く、優れた耐熱老化特性を有する。
このような構成を有する本発明のエナメル樹脂絶縁積層体は、空隙率の増大を抑えながら誘電率を小さくでき、絶縁特性に優れており、耐熱性にも優れる。したがって、本発明のエナメル樹脂絶縁積層体は、絶縁性を有し、絶縁ワイヤの絶縁層として好適に用いられる。
(2)無気泡層の厚さが、独立気泡間の隔壁の厚さより大きく、かつ発泡領域の厚さの5〜60%であること
(3)発泡領域の少なくとも気泡層が熱硬化性樹脂で形成されていること
(5)エナメル樹脂絶縁積層体の厚さが40μm以上であり、少なくとも一方の無発泡領域の一方の厚さが10μm以上であること
(6)独立気泡の厚さ方向の最大気泡径が20μm以下であること
(7)エナメル樹脂絶縁積層体が、25℃における引張弾性率が1GPa以上の樹脂で形成された表層を有していること
(8)発泡領域が、ポリアミドイミド樹脂及びポリイミド樹脂から選択される少なくとも1種の熱硬化性樹脂を含んでいること
(9)無発泡領域が、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、ポリエーテルイミド樹脂、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステル樹脂から選択される少なくとも1種の熱硬化性樹脂を含んでいること
(10)前記表層がポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエステルイミド樹脂から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂を含んでいること
(11)エナメル樹脂絶縁積層体がアルミナ、シリカ及びチタニアから選択される少なくとも1種の粒子を含有していること
本発明のエナメル樹脂絶縁積層体の好適な実施態様の例が図1及び図2に示されているが、本発明のエナメル樹脂絶縁積層体はこれらの実施態様に限定されない。
図1(b)に断面図を示した本発明のエナメル樹脂絶縁積層体の別の実施態様であるエナメル樹脂絶縁積層体3Bは、平板状に成形されており、発泡領域1と、発泡領域1の両方の表面に積層された無発泡領域2とを有してなる。2つの無発泡領域2のうち一方は、図1(b)に示されるように、他方よりも厚さが厚く形成されている。
図2(b)に断面図を示した本発明のエナメル樹脂絶縁積層体のさらにまた別の実施態様であるエナメル樹脂絶縁積層体3Eは、発泡領域1の内表面にも無発泡領域2を有し、発泡領域1の外表面に積層された無発泡領域2の外周面に表層8を有していること以外は図2(a)に示されるエナメル樹脂絶縁積層体3Cと同様である。
図2(c)に断面図を示した本発明のエナメル樹脂絶縁積層体のまた別の実施態様であるエナメル樹脂絶縁積層体3Dは、断面形状が矩形の筒状に成形されていること以外は図2(a)に示されるエナメル樹脂絶縁積層体3Cと同様である。なお、エナメル樹脂絶縁積層体の「角」は面取りを設けてある。
図2(d)に断面図を示した本発明のエナメル樹脂絶縁積層体のまた別の実施態様であるエナメル樹脂絶縁積層体3Fは、発泡領域1の内表面にも無発泡領域2を有し、発泡領域1の外表面に積層された無発泡領域2の外周面に表層8を有していること以外は図2(c)に示されるエナメル樹脂絶縁積層体3Dと同様である。
本発明のエナメル樹脂絶縁積層体を形成する発泡領域1は、気泡を含んでおり、厚さが後述する無発泡領域2よりも厚く、所謂「基層」として機能する。発泡領域は平板状又は筒状になっている。
本発明において、発泡領域1は、発泡領域1の両表面側に独立気泡4を有する気泡層6を有し、この気泡層6に挟まれた無気泡層7を有している。このように、発泡領域1は、2つの気泡層6と1つの無気泡層7とが積層された3層構造を有していれば、それ以外の構成は特に限定されない。例えば、気泡層6は、発泡領域1の両表面側に配置される2つの気泡層(表面側気泡層ともいう)6に加えて、これらの間に配置される少なくとも1層の気泡層(内部気泡層ともいう)を有していてもよい。また、無気泡層7は、積層方向に隣接する2つの気泡層6の間に介装されるものであれば、複数有していてもよい。すなわち、本発明の発泡領域は、2つの表面気泡層の間に無気泡層が配置された3層構造であってもよく、また、2つの表面気泡層の間に、無気泡層と内部気泡層とが交互に積層されたn層構造(nは、奇数を表し、好ましくは5〜21である。)であってもよい。例えば、図3(a)及び図3(b)には、5層構造の発泡領域が示されている。
なお、発明において、無気泡層に着目すると、発泡領域1は、気泡を含まない無気泡層が該無気泡層の両表面側に気泡層を有して構成されているということもできる。
気泡層6に含まれる気泡は、隔壁で隔てられ、発泡領域1の表面に開口する表面開口気泡に連通していない独立気泡4であり、表面開口気泡に連通していなければ、近傍に存在する気泡に連通していてもよい。なお、本発明において、気泡層6は、独立気泡4に加えて、表面開口気泡に連通する連通気泡を有していてもよく、その割合は、好ましくは、50%以下である。この連通気泡の存在割合は次のようにして求める。すなわち、気泡層6の断面を走査電子顕微鏡(SEM)で観察し、表面開口気泡に連通する連通気泡数と独立気泡数を計数し、両者の合計で連通気泡数を除した百分率で表す。
複数の気泡層6が存在する場合は、気泡層6の合計厚さは、上述の条件(2)を満たす限り、限定されるものではないが、絶縁ワイヤの比誘電率及び機械特性の確保の点で、好ましくは10〜200μmであり、より好ましくは20〜100μmである。
複数の無気泡層7が存在する場合は、無気泡層7の合計厚さは、上述の条件(2)を満たす限り、限定されるものではないが、絶縁ワイヤの比誘電率及び機械特性の確保の点で、好ましくは0.1〜200μmであり、より好ましくは1〜100μmである。
熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリアミドイミド又はポリイミドが好適に挙げられる。比誘電率及び耐熱性の点で、ポリイミドが特に好ましい。市販の熱硬化性樹脂として、例えば、ポリアミドイミド樹脂(PAI)ワニス(日立化成製、商品名:HI−406)、ポリイミド樹脂(PI)ワニス(ユニチカ製、商品名:Uイミド)等が使用できる。熱硬化性樹脂は、これらを1種独で使用してもよく、また2種以上を併用してもよい。
一方、発泡領域1を筒状に成形するには、例えば、導体の断面形状と相似形のワニス塗布用ダイスを用いる方法、導体の断面形状が四角形であるならば井桁状に形成された「ユニバーサルダイス」と呼ばれるダイスを用いる方法が挙げられる。これらの樹脂ワニスが塗布された基材は常法にて焼付炉で焼き付けされる。具体的な焼付条件はその使用される炉の形状等に左右されるが、およそ5mの自然対流式の竪型炉であれば、400〜600℃にて通過時間を10〜90秒に設定することにより達成することができる。
なお、発泡領域は、上述のようにして、複数の気泡層6及び無気泡層7を予め作製した後にこれらを積層してもよい。
次に、図1を参照して無発泡領域を詳細に説明する。本発明のエナメル樹脂絶縁積層体は、前述した発泡領域1と、この発泡領域1の少なくとも一方の表面に無発泡領域2を有する。無発泡領域2は、用途、要求特性に応じて、発泡領域1の両表面に配置されてもよい。
この無発泡領域2は、気泡を実質的に含有しない領域、所謂中実領域であり、発泡領域1の外方に配置される点で上述の無気泡層7と相違する。ここで、「実質的に含有しない」とは、気泡をまったく含有しないだけでなく、エナメル樹脂絶縁積層体の特性に影響しない程度に気泡を含有している場合をも包含する。例えば、無発泡領域2の断面を走査電子顕微鏡(SEM)で観察した観察面において、1個/cm2以下であれば、気泡を含有していてもよい。
この無発泡領域2は、単層であっても複層であってもよく、例えば、厚さ、生産性等に応じて適宜の層数が選択される。
引張弾性率は、動的粘弾性測定(DMS)により、測定できる。具体的には、引張モード、周波数10Hz、歪み量1/1000、測定温度は昇温速度5℃/分で変えながら測定する。測定時の制御モード、周波数、歪み量、測定温度等は必要に応じて変えられるものである。
式: 皮膜結晶化度(%)=[(融解熱量−結晶化熱量)/(融解熱量)]×100
また、無発泡領域2及び表層8を形成する樹脂は、耐熱性や絶縁性を影響しない範囲で、他の樹脂やエラストマー、各種添加剤等をブレンドしたものでもよい。例えば、添加剤として、表面のすべり性を向上させるワックスや潤滑剤、後述する、耐部分放電性を発現する微粒子等が挙げられる。
押出成形時の条件、例えば、押出温度条件は、用いる熱可塑性樹脂に応じて適宜に設定される。好ましい押出温度の一例を挙げると、具体的には、押出被覆に適した溶融粘度にするために融点よりも約40〜60℃高い温度で押出温度を設定する。このように、押出成形によって無発泡領域2を形成すると、製造工程にて無発泡領域2を形成する際にエナメル樹脂絶縁積層体を焼き付け炉に通す必要がないため、発泡領域を形成する樹脂の熱劣化や、導体の酸化に起因する導体とエナメル樹脂絶縁積層体の密着力の低下を抑制できるという利点がある。
本発明のエナメル樹脂絶縁積層体において、絶縁破壊特性及び引張強度や耐摩耗性等の機械特性の点で、無発泡領域(複数の無発泡領域を有する場合は、少なくとも一つの無発泡領域)の厚さは、2μm以上であればよく、10μm以上が好ましく、15μm以上がさらに好ましく、20μm以上が特に好ましい。無発泡層の厚さが厚くなると、エナメル樹脂絶縁積層体の比誘電率が増大するため、無発泡領域の厚さは、エナメル樹脂絶縁積層体の比誘電率(3.0以下)によって制限される。故に、厳密にはエナメル樹脂絶縁積層体の空隙率によって制限されるのであるが、無発泡領域の厚さは、実際的には、50μm以下が好ましく、エナメル樹脂絶縁積層体の全体の厚さを基準にすると、エナメル樹脂絶縁積層体の全体の厚さの70%以下が好ましく、50%以下がさらに好ましく、20〜40%が特に好ましい。
比誘電率が3.0以下を維持する温度は、230℃までが好ましく、250℃までが特に好ましい。こうすることで、例えば絶縁ワイヤに適用したときに、部分放電開始電圧を高くできる上に、より高温下で使用することができる。
式1において、εr*はエナメル樹脂絶縁積層体の比誘電率、Cpは単位長さ当りの静電容量[pF/m]、aは導体の外径、bは絶縁ワイヤの外径、ε0は真空の誘電率(8.855×10−12[F/m])を、それぞれ、表す。
なお、絶縁ワイヤの断面が円形ではない場合、例えば、矩形である場合には、絶縁層の静電容量Cpが平坦部の静電容量Cfとコーナー部の静電容量Ceの合成(Cp=Cf+Ce)であることを利用して算出できる。具体的には、導体の直線部の長辺と短辺の長さをL1、L2、導体コーナーの曲率半径R、絶縁層の厚さTとすると、平坦部の静電容量Cf及びコーナー部の静電容量Ceは下記式で表される。これら式と、実測した絶縁ワイヤの静電容量及び絶縁層の静電容量Cp(Cf+Ce)とからεr*を算出できる。
Cf=(εr*/ε0)×2×(L1+L2)/T
Ce=(εr*/ε0)×2πε0/Log{(R+T)/R}
ここで、空気の体積率とは、エナメル樹脂絶縁積層体全体に占める空隙の占める体積の割合を意味し、エナメル樹脂絶縁積層体の密度d及びエナメル樹脂絶縁積層体を形成する樹脂の密度doから、F={1−(d/do)}×100[%]にて算出できる。本発明では、それぞれの密度を水中置換法により測定した値を用いる。
式3 : εr*=T/{(V/E)−d}
本発明の絶縁ワイヤは、導体と、該導体又は該導体上に形成された被覆の外周に絶縁被覆として本発明のエナメル樹脂絶縁積層体とを有している。好ましくは、本発明のエナメル樹脂絶縁積層体が、無発泡領域が絶縁被覆の外周表面となるように、導体の外周に設けられている。
このような構成を有する本発明の絶縁ワイヤは、部分放電開始電圧と絶縁破壊電圧が高く、優れた耐熱老化特性を発揮する。したがって、本発明のエナメル樹脂絶縁積層体は、低比誘電率と絶縁性と耐熱性とを要する絶縁材として好適であり、特に、本発明のエナメル樹脂絶縁積層体を絶縁被覆として備えた本発明の絶縁ワイヤは、耐熱巻線用として好適であり、後述するように、種々の用途に用いられる。
具体的には、図4(a)に断面図を示した本発明の絶縁ワイヤの一実施態様である絶縁ワイヤは、軸線に垂直な断面形状が円形の導体9と絶縁被膜としてエナメル樹脂絶縁積層体3Cとを有してなる。
図4(b)に断面図を示した本発明の絶縁ワイヤの別の実施態様である絶縁ワイヤは、表面層8を有していること以外は図4(a)に示される絶縁ワイヤと同様である。
図4(c)に断面図を示した本発明の絶縁ワイヤのまた別の実施態様である絶縁ワイヤは、軸線に垂直な断面形状が矩形の導体9と絶縁被膜としてエナメル樹脂絶縁積層体3Dとを有してなる。
図4(d)に断面図を示した本発明の絶縁ワイヤのさらにまた別の実施態様である絶縁ワイヤは、表面層8をを有していること以外は図4(c)に示される絶縁ワイヤと同様である。
以上の各図において同符号は同じものを意味し、説明を繰り返さない。
導体は、本発明のエナメル樹脂絶縁積層体との断面形状が同一であるのが好ましく、図4に示されるように、その横断面がエナメル樹脂絶縁積層体の断面形状に合わせて、円形、矩形状等の所望の形状のものを使用できる。導体の断面形状は、断面積が大きくなる形状が好ましく、ステータースロットに対する占有率の点で円形以外の形状を有するものがさらに好ましく、特に、図4に示されるように平角形状のものが好ましい。更には、角部からの部分放電を抑制するという点において4隅に面取り(半径r)を設けた形状であることが望ましい。
本発明の絶縁ワイヤは、予め成形した本発明のエナメル樹脂絶縁積層体に導体を挿入して製造することができ、また導体の外周面に、上述した方法で、本発明のエナメル樹脂絶縁積層体を成形して、製造することもできる。
2LセパラブルフラスコにPAIワニス(HI−406(商品名)、日立化成社製、樹脂成分33質量%溶液)を入れ、この溶液に気泡形成剤としてジエチレングリコールジメチルエーテル(沸点162℃)およびトリエチレングリコールジメチルエーテル(沸点216℃)を添加して、気泡形成用PAIワニス(A)を得た。
(気泡形成用PAIワニス(B))
2LセパラブルフラスコにPAIワニス(HI−406(商品名)、日立化成社製、樹脂成分33質量%溶液)を入れ、この溶液に気泡形成剤として、トリエチレングリコールジメチルエーテル(沸点216℃)およびジエチレングリコールジブチルエーテル(沸点256℃)を添加し、さらにジメチルスルホキシドを加えて希釈することによって、気泡形成用PAIワニス(B)を得た。
(気泡形成用PAIワニス(C))
2LセパラブルフラスコにPAIワニス(HI−406(商品名)、日立化成社製、樹脂成分33質量%溶液)を入れ、この溶液に気泡形成剤としてジエチレングリコールジエチルエーテル(沸点162℃)およびトリエチレングリコールジメチルエーテル(沸点216℃)を添加し、さらにNMPを加えて希釈することによって、気泡形成用PAIワニス(C)を得た。
(気泡形成用PAIワニス(D))
2LセパラブルフラスコにPAIワニス(HI−406(商品名)、日立化成社製、樹脂成分33質量%溶液)を入れ、この溶液に気泡形成剤としてトリエチレングリコールジメチルエーテル(沸点216℃)を添加し、さらにジメチルスルホキシドを加えて希釈することによって、気泡形成用PAIワニス(D)を得た。
(無気泡層7および無発泡領域2形成用のPAIワニス(E))
2LセパラブルフラスコにPAIワニス(HI−406(商品名)、日立化成社製、樹脂成分33質量%溶液)を入れ、さらにNMPを添加して樹脂成分16質量%溶液の無発泡層7および無発泡領域形成用のワニス(E)を得た。
実施例1では、2層の気泡層6と1層の無気泡層7とを有する図3(d)に示される発泡領域1と無発泡領域2とからなるエナメル樹脂絶縁積層体を有する図4(a)に示される絶縁ワイヤを製造した。
具体的には、気泡形成用PAIワニス(A)を直径1mmの銅線(導体)9の外周に塗布し、炉温520℃、20秒で1回焼付けを行い、導体上に気泡層6を形成した。形成された気泡層6の外周にPAIワニス(HI−406(商品名)、日立化成社製、樹脂成分33質量%溶液)を塗布し、20秒で2回焼付けをして無気泡層7を形成し、無気泡層7の外周に気泡形成用PAIワニス(A)を塗布し、20秒で1回焼付けて、発泡領域1を形成した。さらに、発泡領域1の外周にPAIワニス(E)を塗布し、20秒で1回焼付けをして外周の無発泡領域2を形成して、銅線9の外周面にエナメル樹脂成形体物を形成し、実施例1の絶縁ワイヤを得た。
気泡形成用PAIワニス(A)に代えて気泡形成用PAIワニス(C)を炉温500℃で焼付けた以外は実施例1と同様にして図4(a)に示される絶縁ワイヤを製造した。
気泡形成用PAIワニス(A)の焼付け回数を3回、及び、PAIワニス(E)の焼付け回数を2回実施して図3(b)に示される発泡領域1と無発泡領域2とからなるエナメル樹脂絶縁積層体を形成したこと以外は実施例1と同様にして図4(a)に示される絶縁ワイヤを製造した。
気泡形成用PAIワニス(A)を炉温530℃、20秒で1回焼き付けた後、その外周にPAIワニス(E)を20秒で4回焼き付けて1層の無気泡層7を形成した。これを3回繰り返すことによって3層の気泡層を有するエナメル樹脂絶縁積層体を形成したこと以外は実施例1と同様にして図4(a)に示される絶縁ワイヤを製造した。
気泡形成用PAIワニス(A)を炉温540℃、20秒で1回焼き付けた後、その外周にPAIワニス(E)を20秒で2回焼き付けて1層の無気泡層7を形成した。これを6回繰り返すことによって6層の気泡層を有するエナメル樹脂絶縁積層体を形成したこと以外は実施例1と同様にして図4(a)に示される絶縁ワイヤを製造した。
気泡形成用PAIワニス(B)を炉温510℃、30秒で1回焼き付けた後、その外周にPAIワニス(E)を30秒で1回焼き付けて1層の無気泡層7を形成した。これを9回繰り返すことによって、9層の気泡層を有するエナメル樹脂絶縁積層体を形成したこと以外は実施例1と同様にして図4(a)に示される絶縁ワイヤを製造した。
実施例6で製造した絶縁ワイヤの外周に、PAIワニス(E)を30秒で4回焼き付けて表層8を形成し、9層の気泡層6を有するエナメル樹脂絶縁積層体及び厚さ10μmのPAIの表層8を有する図4(b)に示される絶縁ワイヤを製造した。
実施例6で製造した絶縁ワイヤの外周に、PIワニス(Uイミド(商品名)、ユニチカ株式会社製、樹脂成分25質量%のNMP溶液)を30秒で4回焼き付けて表層8を形成し、9層の気泡層6を有するエナメル樹脂絶縁積層体及び厚さ22μmのPIの表層8を有する図4(b)に示される絶縁ワイヤを製造した。
実施例6で製造した絶縁ワイヤの外周に、熱可塑性ポリイミド樹脂(熱可塑PI、商品名:オーラムPL450C、三井化学社製)を押出成形にて形成した。押出条件は表1に従った。これにより、9層の気泡層6を有するエナメル樹脂絶縁積層体及び厚さ22μmのPIの表層8を有する図4(b)に示される絶縁ワイヤを製造した。
実施例6で製造した絶縁ワイヤの外周に、NMPに溶解させたポリエーテルイミド(PEI)(商品名:ultem、SABIC社製)をエナメル用のダイスを用いて塗布、炉温510℃、30秒で焼付けを行うことにより厚さ5μmの接着層を形成し、その外周に、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK、商品名:キータスパイアKT−820、ソルベイスペシャリティポリマーズ社製)を押出成形にて形成した。押出条件は表1に従った。これにより、9層の気泡層6を有するエナメル樹脂絶縁積層体及び厚さ35μmのPEEKの表層8を有する図4(b)に示される絶縁ワイヤを製造した。
実施例6で製造した絶縁ワイヤの外周に、NMPに溶解させたポリフェニルサルフォン(PPSU、商品名:レーデルR、ソルベイアドバンストポリマーズ社製)をエナメル用のダイスを用いて塗布、炉温510℃で30秒で焼付けを行うことにより厚さ5μmの接着層を形成し、さらにその外周に、ポリフェニレンスルフィド樹脂(PPS、商品名:FZ−2100、DIC製)を押出成形にて形成した。押出条件は表1に従った。これにより、9層の気泡層6を有するエナメル樹脂絶縁積層体及び厚さ36μmのPPSの表層8を有する図4(b)に示される絶縁ワイヤを製造した。
気泡形成用PAIワニス(B)を炉温510℃、30秒で1回焼き付けた後、その外周にPAIワニス(E)を30秒で1回焼き付けて1層の無気泡層7を形成した。これを8回繰り返し、さらに外層に気泡形成用PAIワニス(B)を1回焼き付けて発泡領域を形成し、発泡領域を形成した絶縁ワイヤの外周に、1次粒径15nmのチタニア(テイカ社製;HXMT−100ZA)を30質量%含有したPAIワニス(HI−406(商品名)、日立化成社製、樹脂成分33質量%溶液)を6回塗布焼き付けて無発泡領域2を形成し、さらにその外周にPAIワニス(HI−406(商品名)、日立化成社製、樹脂成分33質量%溶液)を6回塗布焼き付けることにより表層8を形成し、9層の気泡層6、厚さ18μmのチタニア含有無気泡層及び厚さ15μmのPAIの表層8を有する絶縁ワイヤを製造した。
平板状のエナメル樹脂絶縁積層体を以下のようにして作製した。実施例2で使用したワニスを、20μmの銅箔(古河電工社製開発品)を幅500mmのガラス板に固定したものに、塗布した。これを高温恒温器(STPH−202;エスペック社製)で500℃に加熱した。加熱の時間はサンプル投入後500℃設定において500℃に達してから高温恒温器で30秒とし、気泡層を焼き付けた。その後、気泡層上に濃度16%に希釈したHI−406を塗布し、同様にして焼付けを実施し、無発泡層を形成した。更に同様にして発泡領域における気泡層の形成を行い、発泡領域1を形成した。この表面に濃度20%に希釈したHI−406を塗布・焼付けて、無発泡領域を形成し、実施例13のエナメル樹脂絶縁積層体3Aを得た。
気泡形成用PAIワニス(A)を直径1mmの銅線9の外周に塗布し、炉温510℃で焼付けることによって、無気泡層7がなく、1層の気泡層6を有する比較例1の絶縁ワイヤを製造した。
(比較例2)
気泡形成用PAIワニス(B)を直径1mmの銅線9の外周に塗布し、炉温500℃で焼付けることによって、無気泡層7がなく、1層の気泡層6を有する比較例2の絶縁ワイヤを製造した。
気泡形成用PAIワニス(D)を直径1mmの銅線9の外周に塗布し、炉温505℃で焼付けることによって、無気泡層7がなく、1層の気泡層6を有する比較例3の絶縁ワイヤを製造した。
(比較例4)
気泡を形成しないポリアミドイミドワニスにはHI−406を用いた。この樹脂1000gに溶剤としてNMPを用いて30%溶液とした。PAIワニスを直径1mmの銅線9の外周に塗布し、炉温520℃で30秒焼付けを行った。これを15回繰り返すことによって、膜厚40μmのPAIからなる無発泡領域のみを有する比較例4の絶縁ワイヤを製造した。
実施例9〜11における押出温度条件を表1に示す。
表1において、C1、C2、C3は押出機のシリンダー部分における温度制御を分けて行っている3ゾーンを材料投入側から順に示したものである。また、Hは押出機のシリンダーの後ろにあるヘッドを示す。また、Dはヘッドの先にあるダイを示す。
各絶縁ワイヤに形成したエナメル樹脂絶縁積層体の200℃における比誘電率を、上述の「絶縁ワイヤの静電容量から比誘電率を算出する方法(式1)」で算出した結果を表2に示す。なお、比誘電率は電界解析(式3)を用いて算出した値とほぼ一致した。また、上述のA.S.Windelerの式2を用いた比誘電率の計算値も表2に併記する。
部分放電開始電圧の測定には、部分放電試験機(商品名:菊水電子工業社製 KPD2050)を用いた。実施例及び比較例で製造した各絶縁ワイヤ2本を撚り合わせたツイストペア片を用い、導体間に50Hz正弦波の交流電圧を加えながら、50V/秒の割合で一様な速さで連続的に昇圧していき、10pCの部分放電が発生した時点の電圧(実効値)を読み取った。測定温度は25±5℃とした。測定値が1.0kV(波高値は1414Vp)以上を特に優れると判断して「◎」、0.7kV(波高値は990kVp)以上を優れると判断して「○」、0.7kV未満を「×」で表した。評価が「○」以上であれば、部分放電が発生しにくく絶縁ワイヤの部分劣化を防止できる。結果を表3に示す。
絶縁破壊電圧は、実施例及び比較例で製造した各絶縁ワイヤ2本を撚り合わせたツイストペア片を用い、導体間に50Hz正弦波の交流電圧を加えながら、500V/秒の割合で一様な速さで連続的に昇圧していき、検出感度を5mAとして、これ以上の電流が流れたときの印加電圧を実効値で読み取り絶縁破壊電圧とした。測定温度は25±5℃とした。前記絶縁破壊電圧を絶縁ワイヤに形成したエナメル樹脂絶縁積層体の合計厚さで除して求めた絶縁破壊強さ(単位厚さあたりの耐電圧値)を評価に用い、80kV/mm以上を特に優れると判断して「◎」、50kV/mm以上を優れると判断して「○」、30kV/mm以上を「△」、30kV/mm未満を「×」で表した。評価が「△」以上であれば、絶縁破壊しにくく、高い絶縁破壊特性を発揮する。結果を表3に示す。
実施例及び比較例で製造した各絶縁ワイヤの熱老化特性を次のようにして評価した。各絶縁ワイヤ2本を撚り合わせたツイストペア片を、200℃又は230℃に設定した高温槽へ投入し、500時間静置した後、0.5〜1.4kV(実効値)の電圧を1秒間印加した。電圧の大きさは絶縁ワイヤに形成したエナメル樹脂絶縁積層体の合計厚さによって変え、おおよそ15kV/mmになるよう調整した。230℃にて絶縁破壊しなかった場合を特に優れると判断して「◎」、200℃において絶縁破壊しなかった場合を優れると判断して「○」、いずれでも絶縁破壊した場合を「×」で表した。評価が「○」以上であれば、耐熱老化特性に優れる。結果を表3に示す。
実施例及び比較例で製造した各絶縁ワイヤの耐部分放電性を次のようにして評価した。各絶縁ワイヤ2本を撚り合わせたツイストペア片に、1.6kVp(波高値)、10kHzの交流正弦波電圧を印加した。試験温度は25℃±10℃とした。絶縁破壊に至るまでの時間が10時間を超えるものを特に優れると判断して「◎」、2時間を超え、10時間未満であるものを優れると判断して「○」、2時間未満を「△」と表した。評価が「○」以上であれば、耐部分放電性に優れる。結果を表3に示す。
総合評価は、上述の各試験の評価において、いずれも「◎」又は「○」である場合を特に優れるとして総合評価「◎」、「△」を含む場合を総合評価「○」、「×」を含む場合を総合評価「×」で表した。結果を表3に示す。
さらに、表層8の厚さが10μm以上であると、絶縁破壊強さが特に優れ、これらが発泡領域と同様の熱硬化性樹脂あるいは耐熱性の高い熱可塑性樹脂であるために耐熱性も損なわれない。さらに、チタニアを含有した層を付与することで、耐部分放電性も飛躍的に向上した。
具体的には、実施例1〜5と比較例1〜3の比較により、本発明の実施例においては、空隙率の増大を伴わず比誘電率を低くすることに成功していることがわかる。A.S.Windelerの式2による比誘電率の計算値と比較した場合でも10〜15%小さく、その効果が顕著である。その結果、絶縁ワイヤのPDIV、絶縁破壊強さが優れていた。
また、実施例7〜11は、表層8の厚さが10μm以上であるため、絶縁破壊強さが特に優れていた。とりわけ、誘電率の低い熱可塑PI、PEEK、PPSで表層を形成することで、エナメル樹脂絶縁積層体の比誘電率の上昇が抑えられ、その結果、絶縁ワイヤのPDIVが特に優れるものになった。このうち、熱可塑PIおよびPEEKは、エナメル樹脂に匹敵する耐熱性を有するから、エナメル樹脂絶縁積層体の耐熱性も特に優れるものになった。なお、実施例2以外は独立気泡の最大気泡径が20μm以下であるため、絶縁破壊強さが実施例2よりも優れていた。
本発明の耐インバータサージ絶縁ワイヤは、モーターやトランス等に用いられて高性能の電気・電子機器を提供できる。
2 無気泡領域
3A〜3F 発泡体
4 独立気泡
5 隔壁
6 気泡層
7 無発泡層
8 表層
9 導体
Claims (14)
- 気泡を含む発泡領域と、該発泡領域の少なくとも一方の表面に気泡を含まない無発泡領域を有し、平板状又は筒状に成形されたエナメル樹脂絶縁積層体であって、
前記発泡領域は、気泡を含まない無気泡層が、該無気泡層の両表面側に独立気泡からなる気泡層を有して構成され、
前記無気泡層の厚さが、前記独立気泡間の隔壁の厚さより大きく、かつ前記発泡領域の厚さの5〜60%であり、
前記発泡領域の少なくとも前記気泡層が、熱硬化性樹脂で形成されているエナメル樹脂絶縁積層体。 - 前記エナメル樹脂絶縁積層体の比誘電率が、200℃において3.0以下である請求項1に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
- 前記エナメル樹脂絶縁積層体の厚さが、40μm以上であり、少なくとも一方の前記無発泡領域の厚さが10μm以上である請求項1又は2に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
- 前記独立気泡の厚さ方向の最大気泡径が20μm以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
- 前記エナメル樹脂絶縁積層体が、25℃における引張弾性率が1GPa以上の樹脂で形成された表層を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
- 前記表層が、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエステルイミド樹脂及びポリアミド樹脂から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂を含む請求項5に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
- 前記発泡領域が、ポリアミドイミド樹脂及びポリイミド樹脂から選択される少なくとも1種の熱硬化性樹脂を含む請求項1〜6のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
- 前記無発泡領域が、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、ポリエーテルイミド樹脂及びポリイミドヒダントイン変性ポリエステル樹脂から選択される少なくとも1種の熱硬化性樹脂を含む請求項1〜7のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
- アルミナ、シリカ及びチタニアから選択される少なくとも1種の粒子を含有する請求項1〜8のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体。
- 導体と、該導体又は該導体上に形成された被覆の外周に絶縁被覆としての請求項1〜9のいずれか1項に記載のエナメル樹脂絶縁積層体とを有する耐インバータサージ絶縁ワイヤ。
- 前記無発泡領域が外周表面側に配置されている請求項10に記載の耐インバータサージ絶縁ワイヤ。
- 請求項10又は11に記載の耐インバータサージ絶縁ワイヤを有する電気・電子機器
- 請求項10又は11に記載の耐インバータサージ絶縁ワイヤを有するモーター。
- 請求項10又は11に記載の耐インバータサージ絶縁ワイヤを有するトランス。
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