JP6629059B2 - モールドコイルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、モールドコイルの製造方法に関する。

計器用変成器やモールド変圧器、リアクタンスなどには重電用のモールドコイルが実装されている。モールドコイルは次のように製造される。まず、金属電線を絶縁被膜にて覆った巻線からコイルを作製する。絶縁被膜は通常、有機絶縁物からなる。続いて、コイルを注型用容器に入れて樹脂を注型する。以下、注型用容器に注型する樹脂を注型樹脂と呼ぶ。この注型樹脂を硬化させることによってモールドコイルが完成する。

重電用のモールドコイルでは、使用時に部分放電が発生すると、モールドコイルを実装した機器の寿命が低下するといった不具合が生じる。部分放電の発生原因としては、例えば注型樹脂内部に発生するボイドが知られている。注型樹脂内部のボイドの発生を防ぐためには、絶縁被膜内部の気泡及び水分を十分に排除する必要がある。そこで、コイルの事前乾燥や予熱を行い、十分な真空度に達成してからコイルに注型樹脂を注ぐことが一般的となっている。

ボイドの他に部分放電が発生する部分としては、注型樹脂とコイル側の絶縁被膜とが剥離した部分が挙げられる。完成したモールドコイルでは絶縁被膜と注型樹脂とが接触しているが、注型樹脂が硬化した後や、運転環境下で熱サイクルが発生した際に、注型樹脂及び絶縁被膜間に熱応力が生じる。そのため、絶縁被膜と注型樹脂が剥離することがある。

絶縁被膜と注型樹脂が剥離すると、この部分はボイド同様、絶縁の弱点となり、使用中に部分放電が発生するおそれがある。したがって、絶縁被覆と注型樹脂との剥離を避けるべく、両者の接着力を高めることが重要である。絶縁被覆と注型樹脂との接着力を高める従来技術として、注型用容器に入れる前に、注型樹脂の注型対象であるコイルの表面に対し前処理を実施することが提案されている。

コイルの表面への前処理としては、砂などの研磨剤をコイルの表面に吹き付けるサンドブラスト処理や、接着剤をコイルの表面に塗る塗布処理などが代表的である。これらの前処理を行うことにより、絶縁被覆と注型樹脂との接着力が高まり、両者の剥離を回避して部分放電の発生を防ぐことが可能となる。

特開２０１３−３０３６８号公報

ところで、注型樹脂の注型対象であるコイルは、形状が複雑であることが多い。コイルの形状が複雑であるということは、コイルの表面形状が複雑であることに他ならない。そのため、形状が複雑な部分に関しては、サンドブラスト処理や塗布処理といった前処理の実施が困難であった。その結果、前処理の作業効率は低かった。

また、コイル表面において前処理を施すことが困難な部分には、樹脂も注型されにくく、注型される樹脂量が少ない傾向にある。したがって、絶縁被膜と注型樹脂との接着力が弱くなり、両者の剥離が起き易くなる。すなわち、サンドブラスト処理などの前処理が困難な部分は、絶縁被膜と注型樹脂とが剥離し易い部分に当たることになる。

部分放電を防止する観点から言えば、絶縁被膜と注型樹脂とが剥離し易い部分にこそ、両者を接着させる前処理を確実に実施しなくてはならない。そのため従来から、コイルの形状に左右されることなく、注型樹脂と絶縁被膜との接着力を高める前処理をコイル全体にわたって容易に実施することが求められていた。

本実施形態は、上記の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、コイルの形状に影響されることなく、絶縁被膜と注型樹脂との接着力を高める前処理を、コイル全体に満遍なく実施することにより、注型樹脂とコイルとの剥離を確実に防いで、部分放電の発生を抑え機器の長寿命化に寄与するモールドコイルの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態は、金属電線を絶縁被膜にて覆った巻線からコイルを作製し、前記コイルを所定の容器内に配置して樹脂を注型するモールドコイルの製造方法であって、前記樹脂を注型する前に、前記コイルに正弦波交流電圧を印加し、前記コイルに印加する正弦波交流電圧は、前記コイルの部分放電開始電圧よりも高い電圧であることを特徴とする。

第１の実施形態の概念図。 コイル部分の断面図。

（１）第１の実施形態
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を用いて具体的に説明する。図１は第１の実施形態の概念図、図２はコイル部分の断面図である。第１の実施形態は、重電用のモールドコイルを製造する方法である。

（コイルの構成）
図２に示すコイル１１は、金属電線２２を絶縁被膜２１で覆った巻線から作製される。また、コイル１１には、水平方向に隣接する絶縁被膜２１の間に、上下方向に沿って延びる絶縁紙２３が設置されている。絶縁被膜２１は例えば、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリイミド、架橋ポリエチレン、ポリエチレン、エチレンビニルアセテート、アラミド紙などからなる。これらの材料を単独もしくは２種類以上を重ねて、絶縁被膜２１としてもよい。

絶縁被膜２１にはナノサイズの無機粒子からなる無機フィラー２５が充填されている。無機フィラー２５としては例えば、クレイ、シリカ、チタニア、アルミナ、マグネシア、酸化亜鉛、シリコーンカーバイト、ジルコニア、チタン酸バリウム、シルセスキオキサンを挙げることができる。これらの無機粒子を単独もしくは２種類以上の混合物としたものを、無機フィラー２５としてもよい。

（モールドコイルの製造方法）
図１に示すように、本実施形態では、作製したコイル１１を、注型用容器１２の内部に配置する。コイル１１には出荷試験用の試験器１３を接続する。そして、注型用容器１２を恒温真空炉１４の内部に設置する。コイル１１を入れた注型用容器１２には注型樹脂を注入するが、その前に、絶縁被膜２１の事前乾燥及び予熱を実施する。

続いて、恒温真空炉１４は内部を減圧環境とし、この減圧雰囲気下で、出荷試験用の試験器１３を用いることにより、コイル１１に対して正弦波交流電圧を印加する。印加する正弦波交流電圧の値は、コイル１１の部分放電開始電圧の値よりも高く設定する。したがって、正弦波交流電圧を印加することでコイル１１の巻線間には部分放電２４（図２に図示）が発生する。

その後、注型用容器１２内のコイル１１に注型樹脂を注ぐ。この注型樹脂を硬化させることによってモールドコイルが完成する。注型樹脂を硬化させる温度は、注型樹脂の種類や量などにより適宜選択可能である。また、注型樹脂としては、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が好適であるが、ポリウレタンなどの熱可塑性樹脂を使用してもよい。

以上述べたように、本実施形態に係る製造方法では、絶縁被膜２１の事前乾燥及び予熱、正弦波交流電圧の印加による部分放電の発生、注型樹脂の注型、注型樹脂の硬化といった工程を経て、モールドコイルを製造する。こうして製造したモールドコイルは、モールド変圧器やリアクタンスなどに実装する。

（作用と効果）
本実施形態の作用および効果は、次の通りである。
（ａ）絶縁被膜と注型樹脂との接着力の向上
注型用容器１２へ注型樹脂を注ぐ前段階で、コイル１１に正弦波交流電圧を印加することにより、図２で示すような部分放電２４がコイル１１の巻線間に発生する。このため、絶縁被膜２１の表面を改質することができ、カルボニル基などの極性基を絶縁被膜２１に導入することが可能となる。その結果、注型樹脂に対する絶縁被膜２１の濡れ性が高くなり、絶縁被膜２１の表面粗さが大きくなる。

これにより、絶縁被膜２１表面にアンカー効果が発現して、絶縁被膜２１と注型樹脂との接着力が向上する。絶縁被膜２１において部分放電２４が発生する箇所は、コイル１１の巻線間において絶縁的に弱い部分であり、この部分は、注型樹脂と絶縁被膜２１とを密着させたい箇所と一致する。

したがって、本実施形態では、絶縁被膜２１と注型樹脂との間で強い接着力を必要とする箇所を、選択的に強く接着することが可能となり、優れた接着効率を発揮することができる。その結果、絶縁被膜２１と注型樹脂との剥離を確実に防ぐことができ、モールドコイルを実装した機器の運転中や出荷試験中における部分放電２４の発生を抑えることができる。よって、モールドコイルの長寿命化を図ることができ、ひいてはモールドコイルを実装するモールド変圧器やリアクタンスなどの長寿命化に貢献することができる。

（ｂ）前処理の作業性向上
本実施形態では、コイル１１への印加による部分放電２４を利用して絶縁被膜２１の表面を改質するので、改質に際してコイル１１の形状に影響を受けることがない。仮にコイル１１の形状が複雑で、例えば表面から見て内側に入り込んだ部分があったとしても、サンドブラスト処理や塗布処理とは異なり、確実に改質を行うことができる。すなわち、本実施形態においてはコイル１１の形状が複雑であろうとも、絶縁被膜２１と注型樹脂との接着力を高める前処理を、効率良く実施することができる。

（ｃ）製造時間の短縮化
本実施形態では、注型用容器１２に設置したコイル１１の事前乾燥および予熱処理を先に済ませ、その後で、絶縁被膜２１の表面に部分放電２４を発生させる部分放電処理を実施している。したがって、部分放電処理を終えた後、即座に注型樹脂の注型処理に移行することができる。その結果、モールドコイルの製造に要する時間を短縮化することが可能である。

（ｄ）経済性の向上
本実施形態において部分放電２４を発生させる手段としては、コイル１１の部分放電開始電圧よりも高い電圧を出力させることが可能な機器であればよい。したがって、出荷試験用の試験器１３を用いるだけで、十分な高さの電圧を持つ部分放電２４を発生させることができる。このため、前処理を実施する機器として新たな機材を購入する必要がなく、前処理を安価に実施することができ、経済的である。

（ｅ）コイルへのダメージの抑制
本実施形態では、ナノサイズの無機粒子からなる無機フィラー２５を絶縁被膜２１に充填したので、部分放電２４に対する絶縁被膜２１の耐久性は向上している。したがって、絶縁被膜２１に部分放電２４を発生させたとしても、絶縁被膜２１のダメージを最小限に抑えることができる。

本実施形態では、恒温真空炉１４の減圧環境下で部分放電２４を発生させたので、大気圧環境下と比較して、低い電圧による部分放電２４の発生を実現している。これにより、コイル１１の部分放電開始電圧も低くなり、それに伴って、コイル１１に印加する正弦波交流電圧も低くなる。その結果、コイル１１において、絶縁被膜２１や絶縁紙２３等の劣化を最小限に抑えることが可能である。

（実施例）
以下、本実施形態によって製造したモールドコイルのコイル部分の具体例について述べる。エナメル線でJISC2103 に準拠したツイストペアサンプルを作製する。このエナメル線では、銅線の内側から順に、ポリエステルイミド３０μm、ポリエステルイミド５μm の２種類の絶縁物が絶縁被膜２１として設けられている。

その後、ツイストペアサンプルの片側に正弦波交流電圧を印加し、片側を接地する。印加電圧値としては、ツイストペアサンプルの部分放電開始電圧０．７ｋＶｒｍｓと比較して十分に高い値とした。例えば３ｋＶｒｍｓ（エネルギー小）と、５ｋＶｒｍｓ（エネルギー大）とする。また、印加時間は共に１０分とした。このような電圧値の正弦波交流電圧を印加させてエナメル線に部分放電を発生させた後、エナメル線の表面である絶縁被膜２１の組成をＸ線光電子分光（ＸＰＳ）で分析し、元素濃度を解析した。

（比較例）
また、上記実施例の比較例として、実施例に記載のエナメル線において、ツイストペアサンプルを作製後、正弦波交流電圧を印加せずにエナメル線の表面である絶縁被膜２１の組成をＸ線光電子分光（ＸＰＳ）で分析し、元素濃度を解析した。

（実施例の効果）
下記の表１は実施例と比較例によるエナメル線における絶縁被膜２１の元素濃度を示す。比較例においては炭素元素の濃度が７８．１％であり約８割を占めている。一方、実施例においては炭素元素の濃度が減り、酸素元素の濃度が増えている。

（表１）
実施例と比較例における被膜表面の元素濃度の比較

表１から明らかなように、エナメル線の表面である絶縁被膜２１においては、部分放電のエネルギーが大きくなるほど、酸素濃度が増えている。すなわち、部分放電のエネルギーが３ｋＶｒｍｓ（エネルギー小）である場合には絶縁被膜２１での酸素濃度が２３．３％であり、部分放電のエネルギーが５ｋＶｒｍｓ（エネルギー大）に増えると、絶縁被膜２１での酸素濃度が２６．５％となる。一方、比較例の酸素濃度は１１．２％である。

このような結果は、部分放電の発生によってエナメル線の表面における絶縁被膜２１が改質され、ここに極性基が導入されたことを示唆している。この結果、絶縁被膜２１の濡れ性が向上し、絶縁被膜の表面が粗くなっていることは明らかである。したがって、絶縁被膜２１と注型樹脂の接着力が高くなり、注型樹脂とコイル単体との剥離を確実に防ぐことができる。

（２）他の実施形態
上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、第１の実施形態では、コイル１１の巻線間に正弦波交流電圧を印加する手段として、出荷試験用の試験器１３を用いたが、これに限定されるものではなく、正弦波交流電圧を印加するための手段として、専用の機器を用いるようにしてもよい。また、正弦波交流電圧の印加電圧の電圧値や、電圧印加に際して雰囲気を減圧させる時の気圧の高さなどは、適宜選択可能である。

１１…コイル
１２…注型用容器
１３…出荷試験用の試験器
１４…高温真空炉
２１…絶縁被膜
２２…金属電線
２３…絶縁紙
２４…部分放電
２５…無機フィラー

Claims (4)

1. 金属電線を絶縁被膜にて覆った巻線からコイルを作製し、前記コイルを所定の容器内に配置して樹脂を注型するモールドコイルの製造方法であって、
   前記樹脂を注型する前に、前記コイルに正弦波交流電圧を印加し、
   前記コイルに印加する正弦波交流電圧は、前記コイルの部分放電開始電圧よりも高い電圧であることを特徴とするモールドコイルの製造方法。
2. 前記樹脂を注型する前に、前記コイルを乾燥および予熱させることを特徴とする請求項１に記載のモールドコイルの製造方法。
3. 前記コイルへの正弦波交流電圧の印加を減圧雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のモールドコイルの製造方法。
4. 前記絶縁被膜に無機フィラーを充填したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のモールドコイルの製造方法。

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