JP6147870B2 - 電気絶縁体用含浸用樹脂組成物、電気絶縁体、および電気絶縁体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気絶縁体用含浸用樹脂組成物、電気絶縁体、および電気絶縁体の製造方法に関する。

電気機械、例えばモーターおよび発電機は、電気伝導体、主絶縁体、および固定子積層体を備える。主絶縁体は、伝導体を互いに、固定子積層体から、および周囲から電気的に絶縁するように作用する。電気機械が作動する間、主絶縁体中に「トリーイング」チャネルを形成し得るスパークが部分放電の結果生じ得る。「トリーイング」チャネルは、主絶縁体の誘電破壊をもたらし得る。部分放電に対するバリアは、主絶縁体中に、高い部分放電耐性を有するマイカを使用することによって実現される。マイカは、数１００マイクロメートルから数ミリメートルの一般的な粒子サイズを有し、マイカペーパーを形成するように処理された板状マイカ（ｐｌａｔｅｌｅｔ−ｌｉｋｅ ｍｉｃａ）粒子の形態で使用される。強度を高め、加工性を向上させるために、マイカペーパーに加えて支持構造を有する電気絶縁テープが使用される。

主絶縁体を製造するために、伝導体の周囲に電気絶縁テープが巻きつけられる。電気絶縁テープは次いで合成樹脂に含浸され、続いて合成樹脂が硬化される。主絶縁体の部分放電耐性を向上させるために、含浸の前に、合成樹脂中に分散されたナノサイズ粒子を使用することが知られている。しかしながら、粒子が存在すると、合成樹脂の寿命が短くなる。このことは特に、合成樹脂の粘度の増加をもたらし、ひいては電気絶縁テープの含浸を困難にする合成樹脂の漸進的な重合の形で現れる。

本発明の目的は、含浸用樹脂組成物および電気絶縁体の両方が長寿命を有する電気絶縁体用含浸用樹脂組成物を提供することにある。

電気絶縁体用の本発明の含浸用樹脂組成物は、ベース樹脂と、ナノサイズ粒子を有する充填剤と、フリーラジカル重合反応性希釈剤とを含む。反応性希釈剤は、ベース樹脂より低い粘度を有するため、本発明の含浸用樹脂組成物中のナノサイズ粒子の質量比率を、同一粘度を有するが反応性希釈剤を含まない同等の含浸用樹脂組成物の場合よりも高くすることが可能である。有利には、反応性希釈剤の存在によって含浸用樹脂組成物中のベース樹脂の濃度が低下するため、ベース樹脂の重合速度が低下し、それにより寿命が増加する。

ｍ（反応性希釈剤）／（ｍ（ベース樹脂）＋ｍ（反応性希釈剤））の比率は、好ましくは０．３から０．７、特に好ましくは０．４から０．６であり、式中、ｍ（ベース樹脂）およびｍ（反応性希釈剤）はそれぞれ、含浸用樹脂組成物中のベース樹脂および反応性希釈剤の質量である。この比率により、有利には、含浸用樹脂組成物中のナノサイズ粒子の特に高い質量比率、および硬化された含浸用樹脂組成物の高い強度を実現することが可能となる。

反応性希釈剤は、好ましくは、スチレン、ビニルトルエン、特にｏ−ビニルトルエン、ｍ−ビニルトルエンおよび／またはｐ−ビニルトルエン、ならびにアルキルアクリレートおよび／またはアルカンジオールジアクリレート、特にヘキサンジオールジアクリレート、特に１，６−ヘキサンジオールジアクリレートである。有利には、これらの化合物は、特に低い粘度を有し、例えばスチレンの粘度は０．７から０．８ｍＰａ＊ｓの範囲にあり、水の粘度よりも約２０％低い。

エポキシ樹脂、ポリエステルイミド、特に不飽和ポリエステルイミド、ポリエステル、特に不飽和ポリエステル、および／またはポリウレタンであるベース樹脂が好ましい。好ましくは、エポキシ樹脂は、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、ビスフェノールＦジグリシジルエーテル、フェノールノボラック、脂肪族エポキシドおよび／または環状脂肪族エポキシドを含む。さらに、環状カルボン酸無水物、特に無水マレイン酸、無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸および／またはヘキサヒドロ無水フタル酸を含むエポキシ樹脂が好ましい。また、硬化剤として、アミンを含むエポキシ樹脂が好ましい。前述のベース樹脂は全て、フリーラジカル重合可能でなく、フリーラジカル重合可能反応性希釈剤と反応しない樹脂である。その結果として、および含浸用樹脂組成物中のベース樹脂の濃度を低下させる反応性希釈剤の存在に起因して、ベース樹脂の重合速度は低下する。結果として、有利には、含浸用樹脂組成物は、含浸前に特に長い寿命を有する。

好ましくは、含浸用樹脂組成物は、ベース樹脂および反応性希釈剤を架橋する架橋剤を含み、特に、架橋剤として二環式［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、１−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、２−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、５−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物および／または７−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物を含む。含浸用樹脂組成物の硬化の間、架橋剤のアルケン基は、反応性希釈剤のフリーラジカル鎖成長の間に反応性希釈剤のポリマーネットワークに組み込まれる。同時に、架橋剤の無水物基は、ベース樹脂のポリマーネットワークに組み込まれる。有利には、結果として架橋剤は、硬化された含浸用樹脂組成物に高強度をもたらす。

約１００ｎｍから約１００μｍの平均粒径を有する粒子を有する第２充填剤を含む含浸用樹脂組成物が好ましい。ナノサイズ粒子および／または第２充填剤の粒子は、好ましくは、特に酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、二酸化チタン、希土類酸化物、アルカリ金属酸化物、金属窒化物および／または層状シリケート、特に剥離または部分的に剥離した層状シリケートを含む無機粒子である。ナノサイズ粒子は、例えば、インサイチュープロセスによって、または火炎熱分解によって製造されたものとすることができる。層状シリケートは、天然または合成由来のいずれでもよい。粒子について言及された材料は、反応性希釈剤の重合を加速しないため、有利には、含浸用樹脂組成物は長寿命を有する。ナノサイズ粒子の平均粒径は、好ましくは、約１ｎｍから約１００ｎｍの範囲内にある。アルキルアルコキシシラン、特にメチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシランおよび／またはトリメチルメトキシシランと粒子を反応させることによって粒子の表面をシラン化することで、粒子の表面を有機親和性にすることができ、有利には、粒子は、無水カルボン酸およびオキシランの混合物とより容易に混和することができ、ベース樹脂の重合を大きく加速しない。

また、表面がベース樹脂および反応性希釈剤の架橋のための架橋剤として作用するように表面をシラン化することが好ましい。

本発明の電気絶縁体は、含浸用樹脂組成物によって含浸された、電気絶縁テープ、好ましくはマイカおよび／または酸化アルミニウムを含む電気絶縁テープを含む。

本発明の含浸用樹脂組成物は、同一粘度を有するが反応促進剤を含まない同等の含浸用樹脂組成物よりも高い質量比率でナノサイズ粒子を含んで製造することができるため、電気絶縁体もまた、同等の含浸用樹脂組成物を有する同等の電気絶縁体よりも高い質量比率でナノサイズ粒子を含んで製造することができる。結果として、電気絶縁体の寿命は同等の電気絶縁体の寿命よりも長い。ナノサイズ粒子の質量比率が高いと、電気絶縁体の熱伝導率もまた増加し、寿命がさらに増加する。

ｍ（含浸用樹脂組成物）／（ｍ（含浸用樹脂組成物）＋ｍ（電気絶縁テープ））の比率は、好ましくは、０．１から０．６であり、式中、ｍ（含浸用樹脂組成物）およびｍ（電気絶縁テープ）はそれぞれ、電気絶縁体中の含浸用樹脂組成物および電気絶縁テープの質量である。電気絶縁テープが「レジンリッチプロセス」によって含浸されると、電気絶縁体中の含浸用樹脂組成物の高い質量比率が実現される。ここで、含浸用樹脂組成物は、ヒータブルプレスを用いて電気絶縁テープにプレスされ、続いて熱を供給することによってヒータブルプレスにおいて硬化される。含浸用樹脂組成物中の高い質量比率のナノサイズ粒子が実現できると同時に、５０％を超える電気絶縁体中のナノサイズ粒子の質量比率を実現することができる。

電気絶縁体の電気絶縁テープは、好ましくは、反応促進剤としてアセチルアセトネートクロム、ナフテン酸亜鉛および／または構造式Ｒ^１ＣＯ^２−、Ｒ^２ＣＯ^２−、Ｚｎ^２＋を有する化合物を含み、式中、Ｒ^１およびＲ^２は、それぞれ互いに独立して、直鎖または分岐アルキル基、特にＣ_６アルキルＣ_７アルキル、Ｃ_８アルキル、Ｃ_９アルキルまたはＣ_１０アルキルである。反応促進剤は、ベース樹脂の重合を加速させ、好ましくは含浸前の電気絶縁テープ中に存在するため、有利には、ベース樹脂の重合は含浸後にのみ起こる。有利には、構造式Ｒ^１ＣＯ^２−、Ｒ^２ＣＯ^２−、Ｚｎ^２＋を有する化合物は、ナフテン酸亜鉛よりも高い純度および低い品質変動で得ることができるため、有利には、ナフテン酸亜鉛を使用した場合よりも容易に電気絶縁体の硬化をもたらすことができる。

好ましくは、電気絶縁テープは、フリーラジカル開始剤、特にアルキルペルオキシド、アルコキシペルオキシド、アリールペルオキシド、特にジクミルペルオキシド、および／またはアロイルペルオキシド、特に２，５−ジメチル−２，５−ジベンゾイルペルオキシヘキサンおよび／またはジベンゾイルペルオキシドを含む。フリーラジカル開始剤は、反応性希釈剤の鎖成長を開始し、好ましくは、含浸前の電気絶縁テープ中に存在するため、有利には、反応性希釈剤の重合は含浸後にのみ起こる。例えば熱の供給または光、好ましくはＵＶ光の照射によって、フリーラジカル開始剤の分解、ひいては鎖成長が開始され得る。フリーラジカル重合の安定剤としてベンゾキノンを含む含浸用樹脂組成物が好ましい。

電気絶縁体を製造するための本発明の方法は、ａ１）充填剤を反応性希釈剤と混合する段階と、ａ２）反応性希釈剤をベース樹脂と混合する段階と、によって、ａ）含浸用樹脂組成物を作製する段階と、ｂ）電気絶縁テープを含浸用樹脂組成物で含浸する段階と、ｃ）含浸用樹脂組成物を硬化する段階と、を含む。

最初に充填剤を反応性希釈剤と混合することによって、ナノサイズ粒子の表面が反応性希釈剤で少なくとも部分的に被覆されるため、ベース樹脂はナノサイズ粒子から少なくとも部分的に遮蔽され、結果としてナノサイズ粒子はベース樹脂の重合をそれほど強く加速しない。したがって、有利には、ナノサイズ粒子の存在にもかかわらず、長寿命の含浸用樹脂組成物が得られる。

含浸の間またはその後、含浸用樹脂組成物から反応性希釈剤が完全にまたは部分的に取り除かれることが考えられる。同様に、反応性希釈剤が含浸用樹脂組成物中に残り、含浸用樹脂組成物とともに硬化されることが考えられる。

電気絶縁体を作製する方法は、好ましくは、ベース樹脂にオリゴマーを添加するか、またはベース樹脂の成分にオリゴマーを、特に少なくとも２つのエポキシ基を有するエポキシドのオリゴマー、特にビスフェノールＡジグリシジルエーテルのオリゴマーおよび／またはビスフェノールＦジグリシジルエーテルのオリゴマーを添加することによって、粘度を増加させることによって、含浸用樹脂組成物の粘度を調節する段階を含む。有利には、粘度の調節は、含浸の間の含浸欠陥を防ぎ、電気絶縁体において含浸用樹脂組成物を用いて最適な比率を実現することが可能となる。

以下において、２つの実施例を用いて本発明を説明する。

第１実施例では、含浸用樹脂組成物は、初めに、反応性希釈剤としてスチレンと、平均粒径２０ｎｍを有する二酸化チタンの粒子からなる充填剤との混合物を作製することによって作製される。混合物は続いて、ビスフェノールＡジグリシジルエーテルおよび無水フタル酸の化学量論混合物からなるベース樹脂と混合される。ここで、ｍ（反応性希釈剤）／（ｍ（ベース樹脂）＋ｍ（反応性希釈剤））の比率は０．４に設定され、ｍ（充填剤）／（ｍ（充填剤）＋ｍ（反応性希釈剤）＋ｍ（ベース樹脂））の比率は０．０５から０．６に設定され、式中、ｍ（ベース樹脂）、ｍ（反応性希釈剤）、およびｍ（充填剤）はそれぞれ、含浸用樹脂組成物中のベース樹脂、反応性希釈剤、および充填剤の質量である。

マイカを含む電気絶縁テープが電気伝導体の周囲に巻き付けられる。電気絶縁テープは、ベース樹脂の反応促進剤としてナフテン酸亜鉛と、反応性希釈剤のフリーラジカル開始剤としてジベンゾイルペルオキシドとを含む。電気絶縁テープは、ｍ（含浸用樹脂組成物）／（ｍ（含浸用樹脂組成物）＋ｍ（電気絶縁テープ））＝０．５、式中、ｍ（含浸用樹脂組成物）およびｍ（電気絶縁テープ）はそれぞれ、含浸用樹脂組成物および電気絶縁テープの質量である、となる比率で、「レジンリッチプロセス」で含浸用樹脂組成物によって含浸される。熱を供給することにより、含浸用樹脂組成物が硬化され、電気絶縁体が作製される。

第２実施例では、含浸用樹脂組成物は、初めに、反応性希釈剤としてビニルトルエンと、平均粒径１５ｎｍを有する酸化アルミニウムの粒子からなる充填剤との混合物を作製することによって作製される。混合物は続いて、ビスフェノールＦジグリシジルエーテルおよび無水マレイン酸の化学量論混合物からなるベース樹脂と混合される。ここで、ｍ（反応性希釈剤）／（ｍ（ベース樹脂）＋ｍ（反応性希釈剤））の比率は０．６に設定され、ｍ（充填剤）／（ｍ（充填剤）＋ｍ（反応性希釈剤）＋ｍ（ベース樹脂））の比率は０．５に設定され、式中、ｍ（ベース樹脂）、ｍ（反応性希釈剤）、およびｍ（充填剤）はそれぞれ、含浸用樹脂組成物中のベース樹脂、反応性希釈剤、および充填剤の質量である。含浸用樹脂組成物は、架橋剤として、１質量パーセントのメチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物をさらに含む。

マイカを含む電気絶縁体が電気伝導体の周囲に巻き付けられる。電気絶縁テープは、ベース樹脂の反応促進剤としてネオデカン酸亜鉛と、反応性希釈剤のフリーラジカル開始剤としてジクミルペルオキシドとを含む。電気絶縁テープは、ｍ（含浸用樹脂組成物）／（ｍ（含浸用樹脂組成物）＋ｍ（電気絶縁テープ））＝０．５、式中、ｍ（含浸用樹脂組成物）およびｍ（電気絶縁テープ）はそれぞれ、含浸用樹脂組成物および電気絶縁テープの質量である、となる比率で、「レジンリッチプロセス」で含浸用樹脂組成物によって含浸される。熱を供給することにより、含浸用樹脂組成物が硬化され、電気絶縁体が作製される。

本発明は、好ましい実施例を用いて説明および表現されているが、本発明は開示された実施例によって限定されるものではなく、当業者は、本発明の保護範囲から逸脱することなく、そこからその他の変形を導き出すことが可能であろう。

Claims (6)

1. ベース樹脂と、ナノサイズ粒子を有する充填剤と、フリーラジカル重合反応性希釈剤と、を含む電気絶縁体用含浸用樹脂組成物であって、前記含浸用樹脂組成物が前記ベース樹脂および前記反応性希釈剤の架橋用の架橋剤を含み、
   前記反応性希釈剤が、スチレン、ビニルトルエン、アルキルアクリレートおよび／またはアルカンジオールジアクリレート、であり、
   前記ベース樹脂が、エポキシ樹脂、ポリエステルイミド、ポリエステル、および／またはポリウレタンであり、
   前記架橋剤が、二環式［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、１−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、２−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、５−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物および／または７−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物であり、
   ｍ（反応性希釈剤）／（ｍ（ベース樹脂）＋ｍ（反応性希釈剤））の比率が、０．３から０．７であり、式中、ｍ（ベース樹脂）およびｍ（反応性希釈剤）はそれぞれ、前記含浸用樹脂組成物中の前記ベース樹脂および前記反応性希釈剤の質量である、含浸用樹脂組成物。
2. 前記ナノサイズ粒子が、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、二酸化チタン、希土類酸化物、アルカリ金属酸化物、金属窒化物を含む無機粒子および／または層状シリケートである、請求項１に記載の含浸用樹脂組成物。
3. 請求項１または２に記載の含浸用樹脂組成物で含浸された、電気絶縁テープを有する電気絶縁体。
4. ｍ（含浸用樹脂組成物）／（ｍ（含浸用樹脂組成物）＋ｍ（電気絶縁テープ））の比率が、０．１から０．６であり、式中、ｍ（含浸用樹脂組成物）およびｍ（電気絶縁テープ）は前記電気絶縁体中のそれぞれ前記含浸用樹脂組成物および前記電気絶縁テープの質量である、請求項３に記載の電気絶縁体。
5. 電気絶縁テープを有する電気絶縁体の製造方法であって、
   ａ）ベース樹脂と、ナノサイズ粒子を有する充填剤と、フリーラジカル重合反応性希釈剤とを含む含浸用樹脂組成物を、
   ａ１）前記充填剤と前記反応性希釈剤を混合する段階と、
   ａ２）前記反応性希釈剤と前記ベース樹脂を混合する段階と、
   によって製造する段階と、
   ｂ）前記電気絶縁テープを前記含浸用樹脂組成物で含浸する段階と、
   ｃ）前記含浸用樹脂組成物を硬化させる段階と、
   を含み、
   前記含浸用樹脂組成物が前記ベース樹脂および前記反応性希釈剤の架橋用の架橋剤を含み、
   前記反応性希釈剤が、スチレン、ビニルトルエン、アルキルアクリレートおよび／またはアルカンジオールジアクリレート、であり、
   前記ベース樹脂が、エポキシ樹脂、ポリエステルイミド、ポリエステル、および／またはポリウレタンであり、
   前記架橋剤が、二環式［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、１−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、２−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、５−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物および／または７−メチルビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物であり、
   ｍ（反応性希釈剤）／（ｍ（ベース樹脂）＋ｍ（反応性希釈剤））の比率が、０．３から０．７であり、式中、ｍ（ベース樹脂）およびｍ（反応性希釈剤）はそれぞれ、前記含浸用樹脂組成物中の前記ベース樹脂および前記反応性希釈剤の質量である、方法。
6. ａ３）前記ベース樹脂にオリゴマーを添加するか、または前記ベース樹脂の成分にオリゴマーを添加することによって粘度を増加させることによって、前記含浸用樹脂組成物の粘度を調節する段階を含む、請求項５に記載の方法。