JP7405750B2 - 絶縁電線、コイル、及び電気・電子機器 - Google Patents
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Description
このような部分放電による絶縁電線の劣化を防ぐため、絶縁皮膜は比誘電率の低い材料で形成することが求められている。
絶縁皮膜と導体との密着力が十分でないと、例えば、電線に曲げや伸びなどの加工を施した際に、絶縁皮膜と導体との間で剥離が生じやすい。この剥離により導体と絶縁皮膜との間に空隙が生じると、そこに電界が集中して絶縁破壊が生じたり、応力が集中して絶縁皮膜が割れやすくなったりする。
このように絶縁皮膜の比誘電率の抑制と、導体との間の密着性の向上とはいわゆるトレードオフの関係にあり、ポリイミド樹脂を用いて、両特性を高いレベルで両立するのは困難とされる。したがって、比誘電率の低いポリイミド樹脂を絶縁皮膜として用いる場合、ポリイミド樹脂層を、接着層等を介して導体外周に設けることなどが検討されている。
〔1〕
導体と、該導体に接して配された絶縁皮膜とを少なくとも有する絶縁電線であって、
前記の導体に接して配された絶縁皮膜が、ジアミン由来成分として下記(A)及び(B)を含むポリイミド樹脂を含有し、
(A)2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン由来の成分、
(B)9,9-ビス(4-アミノフェニル)フルオレン由来の成分、
前記ポリイミド樹脂のイミド基濃度が25.0%以下であり、
前記ポリイミド樹脂中のジアミン由来成分に占める前記(B)の割合が1~40モル%である、絶縁電線。
〔2〕
前記ポリイミド樹脂がテトラカルボン酸二無水物由来成分として下記(C)及び(D)の少なくとも1種を含む、〔1〕に記載の絶縁電線
(C)ピロメリット酸無水物由来の成分、
(D)3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物由来の成分。
〔3〕
構成材料の異なる2層以上の絶縁皮膜を有する、〔1〕又は〔2〕に記載の絶縁電線。
〔4〕
前記の導体に接して配された絶縁皮膜とは構成材料の異なる絶縁皮膜が、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、及びポリエステルイミド樹脂の少なくとも1種を含有する、〔3〕に記載の絶縁電線。
〔5〕
〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の絶縁電線を用いたコイル。
〔6〕
〔5〕に記載のコイルを有する電気・電子機器。
〔7〕
前記電気・電子機器がトランスである、〔6〕に記載の電気・電子機器。
本発明の絶縁電線の好ましい実施形態について説明する。
図1に示すように、本発明の絶縁電線1は、導体11の周囲に、この導体に接して、後述する特定構造を有するポリイミド樹脂を含む絶縁皮膜12を有する。本明細書において、単に「絶縁皮膜」、「絶縁皮膜12」という場合、特段の断りのない限り、導体11に接して設けられた絶縁皮膜(最内層の絶縁皮膜)を意味する。
図1の形態において導体11は、断面形状が矩形(平角形状)になっている。絶縁皮膜12の厚さは5~200μmに設定されていることが好ましく、20~150μmに設定されていることがより好ましい。絶縁皮膜は適宜に複層構造とすることができる。
本発明に用いる導体としては、従来から絶縁電線の導体として用いられているものを使用することができる。例えば、銅線、アルミニウム線等の金属導体が挙げられる。
平角形状の導体は、角部からの部分放電を抑制する点において、図1に示すように、4隅に面取り(曲率半径r)を設けた形状であることが好ましい。曲率半径rは、0.6mm以下が好ましく、0.2~0.4mmがより好ましい。
導体の大きさは特に限定されない。平角導体の場合、矩形の断面形状において、幅(長辺)は1.0~5.0mmが好ましく、1.4~4.0mmがより好ましく、厚み(短辺)は0.4~3.0mmが好ましく、0.5~2.5mmがより好ましい。幅(長辺)と厚み(短辺)の長さの割合(厚み:幅)は、1:1~1:4が好ましい。断面形状が円形の導体の場合、直径は0.3~3.0mmが好ましく、0.4~2.7mmがより好ましい。
絶縁皮膜12はいわゆるエナメル層であり、特定構造を有するポリイミド樹脂を含有してなる。絶縁皮膜12を構成するポリイミド樹脂は、酸無水物(テトラカルボン酸二無水物)とジアミンとが反応して、ポリイミド前駆体が形成され、分子内で脱水閉環反応させることで形成される。よって、ポリイミド樹脂は、酸無水物成分とジアミン成分からなるユニットを構成成分(繰り返し単位)とする。また、絶縁皮膜12を構成するポリイミド樹脂は熱硬化性ポリイミドが好ましい。
本発明において、絶縁皮膜を構成するポリイミド樹脂は、ジアミン由来成分として下記(A)及び(B)を含有する。
(B)9,9-ビス(4-アミノフェニル)フルオレン(以下、「FDA」ともいう。)由来の成分(以下、「成分(B)」ともいう。)
イミド基濃度(%)とは、ポリイミド前駆体をイミド化した後のポリイミド樹脂において、
100×(イミド基部分の分子量)/(全ポリマーの分子量)
で計算される値である。
イミド基部分の分子量=70.03×2=140.06
ユニット部分の分子量=592.56
イミド基濃度(%)=100×(140.06)/(592.56)=23.7%
となる。
なお、イミド基部分(*-C(=O)-N(-*)-C(=O)-*、*は結合部位)の分子量は、70.03であり、ポリイミド樹脂の1ユニット当たり2つのイミド基が含まれる。下記式中nは重合度を表す。
また、絶縁皮膜の耐熱性の観点から、当該割合は3モル%以上であることが好ましく、5モル%以上であることがより好ましい。なお、当該割合は10モル%以上としてもよく、15モル%以上としてもよい。
(C)ピロメリット酸無水物(ピロメリット酸二無水物)由来の成分(以下、「成分(C)」ともいう。)
(D)3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(以下、「BPDA」ともいう。)由来の成分(以下、「成分(D)」ともいう。)
すなわち、成分(C)は、下記式(6)で表される骨格を有する化合物がジアミンと反応して得られるポリアミック酸を、分子内で脱水閉環反応させてイミド化することにより導かれる、下記式(7)で表される骨格を有するイミド構造を形成する成分である。
上記絶縁皮膜は各種添加剤を含有することができる。このような添加剤としては、例えば、気泡化核剤、酸化防止剤、帯電防止剤、紫外線防止剤、光安定剤、蛍光増白剤、顔料、染料、相溶化剤、滑剤、強化剤、難燃剤、架橋剤、架橋助剤、可塑剤、増粘剤、減粘剤又はエラストマー等が挙げられる。これらの添加剤はポリイミド樹脂に由来してもよいし、別途添加することもできる。
本発明の絶縁電線の製造方法は、導体の外周に直接、上記ポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミック酸とこれを溶解する有機溶媒とを含有するワニスを塗布し、焼付けにより脱水閉環反応を生じさせて絶縁皮膜を形成することにより得ることができる。この絶縁皮膜の周囲に、さらに構成材料の異なる絶縁皮膜を1層又は2層以上設けてもよい。この焼付けによりワニス中の溶媒は揮発して除去される。上記有機溶媒として、例えば、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAC)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)等のアミド系溶媒、N,N-ジメチルエチレンウレア、N,N-ジメチルプロピレンウレア、テトラメチル尿素等の尿素系溶媒、γ-ブチロラクトン、γ-カプロラクトン等のラクトン系溶媒、プロピレンカーボネート等のカーボネート系溶媒、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸n-ブチル、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、エチルセロソルブアセテート、エチルカルビトールアセテート等のエステル系溶媒、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のグライム系溶媒、トルエン、キシレン、シクロヘキサン等の炭化水素系溶媒、クレゾール、フェノール、ハロゲン化フェノール等のフェノール系溶媒、スルホラン等のスルホン系溶媒、ジメチルスルホキシド(DMSO)等が挙げられる。
絶縁塗料を塗布した後の焼付けも、常法により行うことができ、例えば焼付け炉で焼付けすることができる。この場合の具体的な焼付け条件は、使用する炉の形状等に左右され一義的に決定できないが、およそ10mの自然対流式の竪型炉であれば、例えば、炉内温度400~650℃にて通過時間を10~90秒とすることができる。
本発明の絶縁電線は、コイルとして、各種電気・電子機器など、電気特性(耐電圧性)や耐熱性を必要とする分野に利用可能である。例えば、本発明の絶縁電線はモーターやトランス等に用いられ、高性能の電気・電子機器を構成できる。特にハイブリッド自動車(HV)や電気自動車(EV)の駆動モーター用の巻線として好適に用いられる。このように、本発明によれば、本発明の絶縁電線をコイルとして用いた、電気・電子機器、特にHV及びEVの駆動モーターを提供できる。
本発明の絶縁電線をコイル加工して形成したコイルとしては、特に限定されず、長尺の絶縁電線を螺旋状に巻き回したものが挙げられる。このようなコイルにおいて、絶縁電線の巻線数等は特に限定されない。通常、絶縁電線を巻き回す際には鉄芯等が用いられる。
ステータ30は、電線セグメント34が本発明の絶縁電線で形成されていること以外は従来のステータと同様の構成とすることができる。すなわち、ステータ30は、ステータコア31と、例えば図2に示されるように本発明の絶縁電線からなる電線セグメント34がステータコア31のスロット32に組み込まれ、開放端部34aが電気的に接続されてなるコイル33とを有している。このコイル33は、隣接する融着層同士、あるいは融着層とスロット32とが固着されて固定化された状態となっている。ここで、電線セグメント34は、スロット32に1本で組み込まれてもよいが、好ましくは図3に示されるように2本1組として組み込まれる。このステータ30は、上記のように曲げ加工した電線セグメント34を、その2つの末端である開放端部34aを互い違いに接続してなるコイル33が、ステータコア31のスロット32に収納されている。このとき、電線セグメント34の開放端部34aを接続してからスロット32に収納してもよく、また、絶縁セグメント34をスロット32に収納した後に、電線セグメント34の開放端部34aを折り曲げ加工して接続してもよい。
<導体>
導体として、断面円形(断面の外径1mm)の銅線を用いた。
下表に示すジアミンをNMPに溶解した。この溶液に下表に示す酸無水物を加えて、窒素雰囲気下で撹拌してポリイミド樹脂塗料を得た。
乾燥後の膜厚が5μmになるようにダイスを設定し、上記導体の外周面にポリイミド樹脂塗料を塗布して塗布膜を形成した。
およそ10mの熱風循環式の竪型炉を用いて、520℃にて通過時間を10~20秒として焼付けを行った。この塗布・焼付けを6回繰り返し、絶縁皮膜の厚さが30μmの絶縁電線を得た。
比誘電率は、製造した各絶縁電線の静電容量を測定し、静電容量と絶縁皮膜の厚さから得られた比誘電率を測定値とした。静電容量の測定には、LCRハイテスタ(日置電機社製、型式IM 3536)を用いた。なお、測定条件として、測定温度を150℃とし、測定周波数を1kHzとした。
比誘電率は下記式(10)によって算出できる。
比誘電率:εr*=Cp・Log(b/a)/(2πε0) 式(10)
式(10)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。
比誘電率が2.8以下を◎、2.8越え3.2以下を○、3.2越えを×とした。
上記で製造した絶縁電線に対して、マイクロメータにカッターを接続したジグを使用し、長手方向に切込みを1mm幅で50mm以上入れた。なお、この切れ込みは導体まで到達するようにした。引張試験機(株式会社島津製作所製、装置名「オートグラフAG-X」)を用いて、1mm/minの速度で切れ込みに沿って長手方向に180°剥離試験を実施した。20cm引き剥がした以降50mmまでの間における180°ピール強度が70gf/mm以上を◎、50gf/mm以上70gf/mm未満を○、30gf/mm以上50gf/mm未満を△、30gf/mm未満を×とした。
なお、絶縁皮膜に亀裂がある場合は密着強度が測定できないため、密着強度の試験を行わなかった。
上記で製造した絶縁電線をJIS C 3216:2011に準拠して伸長した。伸長した絶縁電線を、絶縁電線の導体径と同じ直径を有する巻き付け棒へJIS C 3216:2011に準拠して巻き付け、絶縁皮膜の亀裂、割れの有無(欠陥の有無)を光学顕微鏡を用いて観察した。下記評価基準に基づき可撓性を評価した。
評価基準
○:絶縁電線を30%伸長(1.3倍伸長)しても絶縁皮膜に欠陥を生じない
△:絶縁電線を30%伸長したときに絶縁皮膜に欠陥を生じるが、絶縁電線を20%伸長しても絶縁皮膜に欠陥を生じない
×:絶縁電線を20%伸長したときに絶縁皮膜に欠陥を生じる
これに対し、本発明の規定を満たす絶縁電線は、十分に低い比誘電率を実現しながら、導体と絶縁皮膜との密着強度がより高められ、また可撓性にも優れていた(実施例1~6)。
実施例1~6の絶縁電線を200℃に設定した恒温槽に500時間投入し、恒温槽から取り出した絶縁電線の導体と絶縁皮膜との密着強度を、上記試験例2と同様にして測定した。
その結果、本発明の規定を満たす実施例1~6の絶縁電線は、200℃という高温に500時間もの間曝しても熱劣化を生じにくく、導体との密着性の低下を生じにくいものであった。
11 導体
12 絶縁皮膜(単層、複層)
30 ステータ
31 ステータコア
32 スロット
33 コイル
34 電線セグメント
34a 開放端部
Claims (7)
- 導体と、該導体に接して配された絶縁皮膜とを少なくとも有する絶縁電線であって、
前記の導体に接して配された絶縁皮膜が、ジアミン由来成分として下記(A)及び(B)を含むポリイミド樹脂を含有し、
(A)2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン由来の成分、
(B)9,9-ビス(4-アミノフェニル)フルオレン由来の成分、
前記ポリイミド樹脂のイミド基濃度が20.7%以上25.0%以下であり、
前記ポリイミド樹脂のジアミン由来成分に占める前記(B)の割合が1~40モル%である、絶縁電線。 - 前記ポリイミド樹脂がテトラカルボン酸二無水物由来成分として下記(C)及び(D)の少なくとも1種を含む、請求項1に記載の絶縁電線
(C)ピロメリット酸無水物由来の成分、
(D)3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物由来の成分。 - 構成材料の異なる2層以上の絶縁皮膜を有する、請求項1又は2に記載の絶縁電線。
- 前記の導体に接して配された絶縁皮膜とは構成材料の異なる絶縁皮膜が、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、及びポリエステルイミド樹脂の少なくとも1種を含有する、請求項3に記載の絶縁電線。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載の絶縁電線を用いたコイル。
- 請求項5に記載のコイルを有する電気・電子機器。
- 前記電気・電子機器がトランスである、請求項6に記載の電気・電子機器。
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