JPH1080111A - コイル絶縁層の硬化装置および硬化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】絶縁層に熱硬化性樹脂を用いた、内部空隙の残
留が少ない、良好な電気絶縁特性の電気装置用のコイル
の提供。 【解決手段】コイル導体に熱硬化性樹脂を含む絶縁層を
形成した電気装置用コイルを加熱加圧して硬化するコイ
ル絶縁層の硬化方法において、前記コイルの温度を制御
しながら静電容量測定手段でコイル絶縁層の静電容量を
モニタし、該静電容量が極大値を示す時点（Ｘ）でコイ
ル絶縁層を加圧し硬化することを特徴とするコイル絶縁
層の硬化方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気装置用コイ
ル、特に回転電機のコイルの絶縁層に適用されている熱
硬化性樹脂層の硬化装置と硬化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コイル導体に電気絶縁テープを巻回して
熱硬化性樹脂を含浸したり、半硬化状態のプリプレグテ
ープを巻回したコイルの半製品に、加熱，圧力しながら
硬化して絶縁層を形成するコイルは、樹脂含浸時やプリ
プレグテープ巻回時に生じる空隙（ボイド）を排除する
ことで、電気絶縁特性が良好で信頼性の高い絶縁層とす
るためには、含浸樹脂が溶融，流動する程度にまず加熱
し、該樹脂の粘度が低下した時点で増締めと称する絶縁
層の加圧力を増強する工程を設けている。そして増締め
後も加熱を継続し、樹脂の硬化が終了するのを待って冷
却している。

【０００３】従来はコイル本体の加熱硬化に先立ち、同
じ絶縁材料からなるモニタ試料を加熱し、サンプリング
した試料樹脂の粘度を測定し、粘度が最低となる加熱条
件（温度と時間）を見極めて、実際の製品コイルについ
て上記モニタ試料と同じ温度、時間履歴を経た時点で加
圧していた。

【０００４】また、特開昭６３−１５６５３号公報に記
載されているように、コイルの硬化炉にモニタ試料を入
れておき、このモニタ試料の粘度を監視しながら加圧の
タイミングを決定すると云う方法もとられていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の加圧タイミング
を決定する方法はいずれも間接的な方法で、コイル本体
の樹脂粘度を直接監視している訳ではない。そのため
に、モニタ試料とコイル本体の温度履歴に差がある場合
が多く、最適のタイミングで加圧していないのが現状で
ある。その結果、作製されたコイルの絶縁特性のばらつ
きが大きく、絶縁材料の本来の性能に対して、ある程度
の裕度を見込む必要があった。

【０００６】また、硬化反応速度が速い樹脂では外側が
先に硬化するために、加圧のタイミングが遅れると内部
に空隙（ボイド）が閉じ込められて硬化されてしまうと
云う問題もあった。

【０００７】さらにモニタ試料の静電容量を監視しなが
ら加圧タイミングを決める方法においては、静電容量の
温度依存性が粘度依存性より大きい樹脂については、加
圧タイミングの適切な選定が難しくなると云う問題もあ
った。

【０００８】本発明の目的は、硬化時のコイル絶縁層を
常に最適なタイミングで加圧することにより、内部空隙
（ボイド）を排除して、高い絶縁性能を有する電気装置
用コイルを安定的に硬化するコイル絶縁層の硬化装置、
並びにその硬化方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の要旨は次のとおりである。

【００１０】〔１〕 コイル導体に熱硬化性樹脂を含む
絶縁層を形成した電気装置用コイルを加熱加圧して硬化
するコイル絶縁層の硬化装置において、前記コイルの温
度検出手段と温度制御手段およびコイル加圧手段を備
え、それらを制御する制御手段と加熱硬化過程のコイル
絶縁層の静電容量を測定する静電容量測定手段を備えた
ことを特徴とするコイル絶縁層の硬化装置。

【００１１】〔２〕 コイル導体に熱硬化性樹脂を含む
絶縁層を形成した電気装置用コイルを加熱加圧して硬化
するコイル絶縁層の硬化方法において、前記コイルの温
度を制御しながら静電容量測定手段でコイル絶縁層の静
電容量をモニタし、該静電容量が極大値を示す時点でコ
イル絶縁層を加圧し硬化することを特徴とするコイル絶
縁層の硬化方法。

【００１２】本発明による絶縁層の硬化方法において
は、コイルの樹脂の粘度をオンラインで監視しながら加
圧装置を制御することができるので、常に、最適な加圧
のタイミングを選定できる。上記粘度の監視は、静電容
量の変化と云う非破壊的手段で検知するので、複数のコ
イル絶縁層の管理が可能となり、コイル間のばらつきを
著しく低減することができる。

【００１３】また、絶縁層内部のコイル導体を通電加熱
することで、絶縁層内部から加熱することで、内部の空
隙を除々に外側に押し出しながら硬化を進行させること
ができる。この時、静電容量を監視して樹脂の平均的な
粘度が最も低くなる時点で加圧することができるので、
内部空隙を残すことなく絶縁層を硬化させることができ
る。

【００１４】また、硬化中のコイルの温度を一定の温度
に保持する工程を設けることで、絶縁層の内側と外側の
温度差を縮小し、絶縁層全体をほぼ一様の粘度とするこ
とができ、加圧むらのない均一な絶縁層を形成すること
ができる。

【００１５】一般に、樹脂の誘電率は粘度が低いほど大
きいと同時に、温度が高いほど大きい。即ち、絶縁層の
静電容量は粘度依存性とともに温度依存性を有する。こ
こで粘度依存性よりも温度依存性の方が大きい樹脂では
硬化過程での温度変化があると静電容量の変化から最低
粘度のタイミングを判断するのが難しくなる。

【００１６】そこで本発明では、絶縁層の硬化方法にお
いて設けた温度を一定に保持する工程では、静電容量は
樹脂の粘度のみに依存して変化するので、その極大値を
示す時点が粘度の最低となる時期を表わす。これにより
最適加圧タイミングを選定できるのである。

【００１７】

【発明の実施の形態】

〔実施例 １〕以下に本発明の一実施例を図を用いて説
明する。

【００１８】図２により回転機コイルの製作工程の一例
を説明する。図２（ａ）に示すように内部導体２１に絶
縁テープ２２を巻回して、（ｂ）に示すような半製品コ
イル２３を構成する。

【００１９】内部導体２１は一般に複数の銅線を束ねた
もので構成される。絶縁テープ２２は、マイカ等の無機
質絶縁材料とガラスや紙等の裏打ち材を組み合わせたも
ので構成されており、半硬化状態の熱硬化性樹脂を含浸
させたプリプレグテープと呼ばれるものや、樹脂を含ま
ないドライテープと呼ばれるものが用いられる。

【００２０】ドライテープを巻回した半製品コイル２３
の場合には、図２（ｃ）に示す工程で樹脂２５を注入す
る。多くの場合これは真空タンクを用いた真空含浸によ
り行われる。

【００２１】こうして作製された半製品コイル２３は絶
縁層が膨らんで、このままでは後の回転機械としての組
立て工程で、コアに組込めないと云った問題が生ずる。

【００２２】また、真空含浸ではない場合や、プリプレ
グテープを巻回した場合のコイルには内部に空隙を多く
含み、これが絶縁上の弱点となって所定の絶縁特性が得
られなくなる。

【００２３】そこで図２（ｄ）に示すように成型当板２
４を用いて加圧成型しながら加熱し、内部の空隙を排除
して所定の形状寸法となるように絶縁層を硬化すること
が必要である。

【００２４】図１は、本発明の硬化装置の構成例を示し
たものである。コイル１ａ、１ｂ，…，１ｎからなるｎ
本のコイルを同時に作製する場合の例であり、加圧装置
２ａ，２ｂ，…，２ｎ、切換器１０、静電容量測定器１
１、硬化制御装置１２、加圧制御装置１３、温度検出器
１４、温度制御装置１５、そして加熱電源装置１６を主
要構成要素とする。

【００２５】コイル１ａ，１ｂ，…，１ｎには温度セン
サ（図示省略）を取り付け、その出力信号を温度検出器
１４に取り込んでいる。本硬化装置を用いたコイル絶縁
層の硬化工程は次のとおりである。

【００２６】硬化しようとするコイル１ａ，１ｂ，…，
１ｎは加圧装置２ａ，２ｂ，…，２ｎにセットされ、加
熱電源装置１６から電力を供給する。硬化制御装置１
２、温度検出器１４、温度制御装置１５により加熱電源
装置１６の出力を制御し、コイル１ａ，１ｂ，…，１ｎ
の温度を所定の値に制御する。

【００２７】加圧装置２ａ，２ｂ，…，２ｎの制御は、
コイル１ａ，１ｂ，…，１ｎの静電容量をリード線３
ａ，３ｂ，…，３ｎと切換器１０を介して静電容量測定
器１１で測定し、結果を硬化制御装置１２に伝送され
る。硬化制御装置１２ではコイル１ａ，１ｂ，…，１ｎ
の静電容量を加熱開始時から逐次収録し、各コイル毎に
監視している。そしていずれかのコイルが加圧時に到達
したと判定した時（判定方法は後で記述する）、加圧制
御装置１３に指令を出す。この指令に基づき加圧制御装
置１３は対応のコイルの加圧装置に加圧開始の指令を出
し、加圧が開始される。

【００２８】ここで硬化制御装置１２としては、例え
ば、ディジタル式のコンピュータが適当である。また、
静電容量測定器１１としては汎用のＣメータ、Ｌ,Ｃ,Ｒ
メータ、インピーダンスメータなどが使用できる。加圧
装置２ａ，２ｂ，…，２ｎとしては油圧加圧装置等が用
いられる。

【００２９】次に、最適加圧タイミングの判定方法の一
例を図３により説明する。樹脂の誘電率の温度依存性が
無視できる場合には、誘電体である樹脂は粘度が小さい
ほど電界に対応した電気双極子の動きを拘束する力が小
さくなり、誘電率が大きくなる。即ち、同一の電極面
積、電極間距離の場合には静電容量が大きくなる。

【００３０】熱硬化性樹脂の粘度は硬化初期にはかなり
大きいが、加熱されると初めのうちは温度の上昇に伴っ
て低下する。さらに加熱が進むと硬化し始め、硬化に伴
って、逆に粘度は高くなる。

【００３１】これに対応して静電容量は加熱開始後、一
旦上昇した後、降下する。この時の静電容量と粘度の変
化の一例を図３に示す。

【００３２】ここで静電容量がピークとなるＸ時点が粘
度の最低となる時でもあり、これが加圧最適タイミング
Ｘとなる。加圧制御装置１３によりコイル１ａ，１ｂ，
…，１ｎ毎に静電容量値の変化を追跡して、上記の加圧
最適タイミングＸを判定し、加圧開始の指令を出す。

【００３３】次に、本実施例によるコイル絶縁層の硬化
方法を図４により説明する。硬化前の半製品コイル２３
の断面は図４（ａ）、（ｂ）に示すように内部導体２１
の外周に巻き付けられた絶縁層２６は膨らんでおり、プ
リプレグテープやドライテープにより樹脂を真空含浸せ
ずにただ注入しただけでは、内部に多くの空隙２７が存
在する。

【００３４】この半製品コイル２３に成型当板２４を当
てて加圧しながら硬化させる過程において、内部導体２
１に通電してその発熱で絶縁層２６を加熱昇温させる。
絶縁層２６の樹脂は内部導体２１に接している内側ほど
早く粘度が低下し、次いで硬化が進行する。

【００３５】本実施例において静電容量を監視しながら
選定する加圧最適タイミングＸは、絶縁層２６の全体の
平均的な粘度が最低になる時点がよいので、絶縁層の外
側の硬化が進んていない、即ち、樹脂の粘度が小さい状
態で加圧することになる。

【００３６】この結果、図４（ｃ）に示すように内周側
から外周側に向けて空隙２７を排除しながら硬化領域２
８が進展して行くので、図４（ｄ），（ｅ）に示すよう
に空隙の残留がない、均一な絶縁層を形成することがで
きる。

【００３７】本実施例による硬化管理方法ではさらに次
のような効果がある。管理対象であるコイル本体の樹脂
の粘度を直接管理していることで、従来のモニタ試料に
よる管理に比べて、誤差要因となるモニタと本体の温度
履歴の相違による影響がない。また、モニタ試料も不要
なので、事前にモニタの特性を把握しておく必要もな
く、使用後のモニタの廃棄処理等の手数も発生しない。

【００３８】また、粘度管理方法は非破壊法による電気
的手段で行うので、多数のコイルの管理が容易であり、
多数のコイルを同時に行うこともできる。それによって
個々のコイルの温度上昇速度等のばらつきを反映した最
適管理を行うことができる。即ち、コイルの加熱のばら
つきや硬化装置内の位置の差等で個々のコイルの温度履
歴特性に違いがある場合でも、各コイルの最適条件で加
圧のタイミングを設定することができる。

【００３９】〔実施例 ２〕回転機コイル等の絶縁樹脂
には、通常エポキシ樹脂が広く用いられるが、多くの場
合誘電率の温度依存性を無視できない。こうした場合の
加圧最適タイミングＸの決定方法の一例を次に説明す
る。

【００４０】図５に硬化工程全体の温度と静電容量の経
時変化を示す。図から分かる様に、昇温途中で温度を一
定に保持し、この時に加圧最適タイミングＸを迎えてい
るのが特徴である。

【００４１】図５のＡの部分を拡大したものを図６に示
す。温度がＴ１になった時間ｔ１に昇温を停止し、時間
ｔ３までその温度で保持している。静電容量は加熱開始
から時間ｔ１までは、樹脂粘度の低下と温度上昇の両方
の効果で増加し続ける。時間ｔ１からｔ２までは温度が
一定のため、温度上昇の効果はないが、時間積分の効果
で樹脂粘度が低下するために静電容量は除々に増加す
る。そして、時間ｔ２は樹脂粘度の低下が止まった時
点、つまり最低粘度となる時点であり、ここが加圧最適
タイミングとなる。

【００４２】時間ｔ２で加圧を開始すると絶縁層の膨ら
みが押圧されて、その厚さが減少するために加圧が終了
する時間ｔ３の間に静電容量はＣ３まで急増する。時間
ｔ３で加圧終了後、硬化を促進するために昇温すると、
再び、温度上昇の効果により静電容量は増加し始める。
その後、昇温途中の時間ｔ４，温度Ｔ２で静電容量はピ
ーク値Ｃ４に達し、その後は時間の経過と共に低下し、
樹脂が硬化して行く。

【００４３】本実施例によれば、樹脂の静電容量の温度
依存性の影響を排除して粘度の最低点を検出することが
できる。

【００４４】加えて絶縁層内部の温度差を低減できるの
で、平均的な粘度が最低となる時点に一部の硬化が相当
進んで内部に空隙が閉じ込められる、と云った硬化不良
を避けることもできる。

【００４５】〔実施例 ３〕図７に他の硬化例として、
静電容量の温度依存性の小さい樹脂の場合の硬化履歴特
性の一例を示す。時間ｔ１で昇温を停止し、その後の静
電容量増加が止まった時間ｔ２で加圧している。

【００４６】加圧終了後の時間ｔ３には絶縁層が薄くな
るために静電容量がＣ３まで増すのは実施例２の図６の
場合と同じである。

【００４７】しかし、静電容量の温度依存性が小さい樹
脂では、加圧後に再昇温しても静電容量の増加は小さい
か、ほとんど見られない。

【００４８】このような樹脂ではその後さらに時間が経
過してｔ４時点で生じる静電容量のピーク値Ｃ４は加圧
直後の静電容量値Ｃ３より小さいか、材料によってはピ
ークとして認められない場合もある。

【００４９】樹脂の静電容量変化が図５に近いか、ある
いは図７に近いかは通常、樹脂の種類で異なるが、同じ
樹脂でも調製後の経過時間や保管条件の差により硬化特
性が異なることがある。本発明の硬化方法によれば、こ
うした特性の異なる場合でも最適な加圧タイミングを選
定できる。

【００５０】図３、５、６、７で示した実施例におい
て、測定した静電容量の変化から正確に加圧最適タイミ
ングＸを選定する手段は、静電容量の時間微分値を把握
することである。この時間微分値が０となったときが極
大値であり、粘度が最低となる時点である。これは図１
に示した硬化制御装置にディジタル式コンピュータを採
用することで容易に実現できる。

【００５１】また、図８に試作したモデルコイルの誘電
正接特性を示す。本発明により適正加圧タイミングで加
圧したコイルは良好な絶縁特性を示しているが、従来の
モニタ試料による方法で加圧タイミングを選定したコイ
ルでは、高電圧領域での誘電正接が過大となり、特性不
良となっている。

【００５２】上記の結果からも、本発明による方法は従
来法に比べ加圧タイミングが適正であることが分かる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、安定した絶縁特性のコ
イルを作製することができ、絶縁層の内部に空隙（ボイ
ド）等の残留が少ないコイルを提供することができる。

【００５４】また、コイルを昇温途中の一定温度に保持
する工程を設けることで、静電容量の温度依存性に影響
されることなく最適な硬化タイミングを選定でき、同時
に、コイル温度のばらつきを低減して均一な絶縁層のコ
イルを作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコイル絶縁層硬化装置のシステム構成
の一例を示す模式構成図である。

【図２】回転機コイルの絶縁層形成工程の一例を示すフ
ロー図である。

【図３】本発明の最適加圧タイミングの選定方法を示す
静電容量と樹脂粘度の履歴特性図である。

【図４】コイル絶縁層の硬化進展状況の一例を示す模式
図である。

【図５】本発明の他の実施例の最適加圧タイミングの選
定方法を示す静電容量と温度の履歴特性図である。

【図６】図５のＡ部領域の拡大図である。

【図７】本発明の他の実施例の最適加圧タイミングの選
定方法を示す静電容量と温度の履歴特性図である。

【図８】モデルコイルの誘電正接の特性を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１…コイル、２…加圧装置、１０…切換器、１１…静電
容量測定器、１２…硬化制御装置、１３…加圧制御装
置、１４…温度検出器、１５…温度制御装置、１６…加
熱電源装置、Ｘ…加圧最適タイミング、２１…内部導
体、２２…絶縁テープ、２３…半製品コイル、２４…成
型当板、２５…樹脂、２６…絶縁層、２７…空隙、２８
…硬化領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神谷 宏之 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 小野田 満 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 古川 宣昭 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 黒梅 角哉 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 本田 龍夫 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイル導体に熱硬化性樹脂を含む絶縁層
   を形成した電気装置用コイルを加熱加圧して硬化するコ
   イル絶縁層の硬化装置において、 前記コイルの温度検出手段と温度制御手段およびコイル
   加圧手段を備え、それらを制御する制御手段と加熱硬化
   過程のコイル絶縁層の静電容量を測定する静電容量測定
   手段を備えたことを特徴とするコイル絶縁層の硬化装
   置。
2. 【請求項２】 複数のコイルの加熱硬化過程におけるコ
   イル絶縁層の静電容量を１つの静電容量測定手段で切換
   え測定できる切換器を備えた請求項１に記載のコイル絶
   縁層の硬化装置。
3. 【請求項３】 前記コイルの加熱手段がコイル導体に電
   流を通電して加熱する通電加熱手段である請求項１に記
   載のコイル絶縁層の硬化装置。
4. 【請求項４】 コイル導体に熱硬化性樹脂を含む絶縁層
   を形成した電気装置用コイルを加熱加圧して硬化するコ
   イル絶縁層の硬化方法において、 前記コイルの温度を制御しながら静電容量測定手段でコ
   イル絶縁層の静電容量をモニタし、該静電容量が極大値
   を示す時点でコイル絶縁層を加圧し硬化することを特徴
   とするコイル絶縁層の硬化方法。
5. 【請求項５】 複数のコイルの加熱硬化過程におけるコ
   イル絶縁層の静電容量を１つの静電容量測定手段で切り
   替えながら測定し、個々のコイル絶縁層の静電容量が極
   大値を示す時点で、対応するコイルの加圧手段に加圧指
   令を出して加圧硬化する請求項４に記載のコイル絶縁層
   の硬化方法。
6. 【請求項６】 前記コイル導体を通電加熱することによ
   りコイル絶縁層の内側から外側に向けて昇温し、硬化を
   進展させる請求項４に記載のコイル絶縁層の硬化方法。