KR101664536B1 - 절연 와이어, 전기기기 및 절연 와이어의 제조방법 - Google Patents

Abstract

도체와 발포 절연층과 발포 절연층의 외주에 발포되지 않은 충전층을 갖는 절연 와이어로서, 상기 충전층에 내부분 방전성 물질을 함유한 절연 와이어이다. 이 절연 와이어는 높은 부분 방전 개시전압, 내부분 방전성, 내열성 및 내마모성(내상성)의 전부를 구비한다.

Description

절연 와이어, 전기기기 및 절연 와이어의 제조방법{INSULATED WIRE, ELECTRIC EQUIPMENT AND PROCESS FOR PRODUCING INSULATED WIRE}

본 발명은, 절연 와이어, 전기기기 및 절연 와이어의 제조방법에 관한 것이다.

인버터는, 효율적인 가변속 제어장치로서, 많은 전기기기에 부착되게 되었다. 그러나, 수kHz∼수십kHz로 스위칭이 행하여져, 그들의 펄스마다 서지 전압이 발생한다. 이러한 인버터 서지는, 전반계(傳搬系)내에 있어서의 임피던스의 불연속 점, 예를 들면 접속하는 배선의 시단(始端) 또는 종단(終端)에서 반사가 발생하여, 그 결과, 최대로 인버터 출력전압의 2배의 전압이 인가되는 현상이다. 특히, IGBT 등의 고속 스위칭 소자에 의해 발생하는 출력 펄스는, 전압 준도(峻度)가 높고, 그에 의해 접속 케이블이 짧아도 서지(surge) 전압이 높으며, 또한 그 접속 케이블에 의한 전압 감쇠도 작아, 그 결과, 인버터 출력전압의 2배 가까운 전압이 발생한다.

인버터 관련 기기, 예를 들면 고속 스위칭 소자, 인버터 모터, 변압기 등의 전기기기 코일에는, 마그넷 와이어로서 주로 에나멜선인 절연 와이어가 이용되고 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 인버터 관련 기기에서는, 인버터 출력전압의 2배 가까운 전압이 걸리기 때문에, 인버터 서지에 기인하는 부분 방전 열화(劣化)를 최소한으로 하는 것이, 절연 와이어에 요구되게 되었다.

일반적으로, 부분 방전 열화란, 전기 절연 재료의 부분 방전(미소한 공극 형상 결함 등이 있는 부분의 방전)으로 발생한 하전(荷電) 입자의 충돌에 의한 분자쇄 절단 열화, 스퍼터링 열화, 국부 온도 상승에 의한 열 용융 혹은 열분해 열화, 또는, 방전으로 발생한 오존에 의한 화학적 열화 등이 복잡하게 일어나는 현상을 말한다. 실제의 부분 방전으로 열화된 전기 절연 재료에서는, 그 두께가 감소되거나 하는 것을 볼 수 있다.

이러한 부분 방전에 의한 절연 와이어의 열화를 막기 위해, 절연 피막에 입자를 배합함에 의해, 내(耐)코로나 방전성을 향상시킨 절연 와이어가 제안되어 있다. 예를 들면, 절연 피막중에 금속 산화물 미립자나 규소 산화물 미립자를 함유시킨 것(특허문헌 1 참조)이나, 절연 피막중에 실리카를 함유시킨 것(특허문헌 2 참조)이 제안되어 있다. 이들 절연 전선은, 입자를 함유하는 절연 피막에 의해, 코로나 방전에 의한 침식 열화를 저감하는 것이다. 그러나 이들 입자를 함유한 절연 피막을 갖는 절연 전선은, 부분 방전 개시전압이 저하하거나 피막의 가요성(可撓性)이 저하한다고 하는 문제가 있다.

부분 방전이 발생하지 않는 절연 와이어, 즉, 부분 방전의 발생 전압이 높은 절연 와이어를 얻는 방법도 있다. 여기에는 절연 와이어의 절연층의 두께를 두껍게 하거나, 절연층에 비유전율(比誘電率)이 낮은 수지를 이용하는 등의 방법을 생각할 수 있다.

그러나, 절연층을 두껍게 하면 절연 와이어가 굵어지고, 그 결과, 전기기기의 대형화를 초래한다. 이는, 최근의 모터나 변압기로 대표되는 전기기기에 있어서의 소형화라고 하는 요구에 역행한다. 예를 들면, 구체적으로는, 고정자(stator)-슬롯중에 몇 개의 전선을 넣을 수 있는지에 따라, 모터 등의 회전기의 성능이 결정된다고 해도 과언이 아니고, 그 결과, 고정자-슬롯 단면적에 대한 도체 단면적의 비율(점적률(占積率))을, 최근, 특히 높게 하는 것이 요구된다. 따라서, 절연층의 두께를 두껍게 하는 것은 점적률이 낮아지게 되어, 요구 성능을 고려하면 바람직하지 않다.

한편, 절연층의 비유전율에 대해서는, 절연층의 재료로서 상용되는 수지의 대부분의 비유전율이 3∼4의 사이인 바와 같이 비유전율이 특별히 낮은 것이 없다. 또한, 현실적으로는, 절연층에 요구되는 다른 특성(내열성, 내용제성, 가요성 등)을 고려한 경우, 반드시, 항상, 비유전율이 낮은 것을 선택할 수 있는 것은 아니다.

절연층의 실질적인 비유전율을 작게 하는 수단으로서는, 절연층을 발포체로 형성하는 것을 생각할 수 있는데, 종래로부터, 도체와 발포(發泡) 절연층을 갖는 발포 전선이 통신 전선으로 널리 이용된다. 종래는, 예를 들면 폴리에틸렌 등의 올레핀계 수지나 불소 수지를 발포시켜 얻어진 발포 전선이 잘 알려져 있는데, 이러한 발포 전선으로서, 예를 들면, 특허문헌 3에 발포시킨 폴리에틸렌 절연 전선이 기재되고, 특허문헌 4에 발포시킨 불소 수지 절연 전선이 기재되며, 특허문헌 5에는 양자에 대해 기재되어 있다.

그러나, 이들과 같은 종래의 발포 전선에서는 피막의 내열 온도가 낮고, 내상성(內傷性)도 뒤떨어지므로 이 점에서 아직 만족할만한 것은 아니다.

: 일본특허 제3496636호 공보 : 일본특허 제4584014호 공보 : 일본특허 제3299552호 공보 : 일본특허 제3276665호 공보 : 일본특허 제3457543호 공보

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 높은 부분 방전 개시전압, 내(耐)부분 방전성, 내열성 및 내마모성(내상성)의 전부를 구비한, 우수한 절연 와이어와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 우수한 성능의 절연 와이어를 이용한 전기기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 과제는 하기의 수단에 의해 해결되었다.

(1) 도체와 열경화성 수지를 발포시킨 발포 절연층과 발포 절연층의 외주에 발포되지 않은 충전층(充塡層)을 갖는 절연 와이어로서, 상기 충전층에 내부분 방전성 물질을 수지에 대해서 30질량% 이하 함유하고, 상기 발포 절연층의 두께가, 발포 절연층의 두께와 충전층의 두께의 합계의 30% 이상인 것을 특징으로 하는 절연 와이어.

(2) 상기 발포 절연층의 내주에 충전층을 갖는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 절연 와이어.

(3) 상기 발포 절연층이, 내외주 혹은 한쪽에 충전층을 갖는 발포층을 복수 적층시킨 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 절연 와이어.

(4) 상기 발포 절연층, 및/또는 내주의 충전층에 내부분(耐部分) 방전성 물질을 함유한 것을 특징으로 하는 (2) 또는 (3)에 기재된 절연 와이어.

(5) 상기 내부분 방전성 물질이, 이산화티탄 또는 실리카인 것을 특징으로 하는 (1)∼(4) 중 어느 한 항에 기재된 절연 와이어.

(6) 상기 발포 절연층이 및 충전층이, 폴리이미드, 폴리아미드이미드 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (1)∼(5) 중 어느 한 항에 기재된 절연 와이어.

(7) 상기 발포 절연층 및 충전층으로 구성되는 층의 비유전율(比誘電率)이 4 이하인 것을 특징으로 하는 (1)∼(6) 중 어느 한 항에 기재된 절연 와이어.

(8) 발포 절연층의 평균 기포직경이 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 (1)∼(7) 중 어느 한 항에 기재된 절연 와이어.

(9) 도체상에, 직접 혹은 충전층을 통하여, 열경화성 수지의 바니스(varnish)를 도포하고, 눌어붙게 하여 이 열경화성 수지의 바니스의 눌어붙임 공정중에 발포시킴에 의해 상기 발포 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(8) 중 어느 한 항에 기재된 절연 와이어의 제조방법.

(10) (1)∼(8) 중 어느 한 항에 기재된 절연 와이어를 모터 또는 트랜스에 이용해서 이루어지는 전자·전기기기.

본 발명에 의해, 내부분 방전성, 부분 방전 개시전압, 가요성, 내열성이 우수한 절연 와이어를 제공할 수 있다. 그리고 상기와 같은 특성이 우수한 절연 와이어를 제조할 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은, 적절히 첨부된 도면을 참조하여, 하기의 기재로부터 더 분명해질 것이다.

도 1(a)는 본 발명의 발포 전선의 일 실시 형태를 나타낸 단면도이고, 도 1(b)는 본 발명의 발포 전선의 다른 실시 형태를 나타낸 단면도이다.
도 2(a)는 본 발명의 발포 전선의 또다른 실시 형태를 나타낸 단면도이고, 도 2(b)는 본 발명의 발포 전선의 또다른 실시 형태를 나타낸 단면도이며, 도 2(c)는 본 발명의 발포 전선의 또다른 실시 형태를 나타낸 단면도이다.

이하, 본 발명의 발포 전선의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1(a)에 단면도를 도시한 본 발명의 절연 와이어의 일 실시 형태에서는, 도체(1)와, 도체(1)를 피복한 발포 절연층(2)과, 내부분 방전성 물질(3)을 함유한 충전층(4)을 갖추어 이루어진다.

도 1(b)에 단면도를 도시한 본 발명의 절연 와이어의 다른 실시 형태에서는, 도체(1)로서 단면이 사각형인 것을 이용한 것이고, 그 이외는 기본적으로 도 1(a)과 마찬가지로, 도체(1)가 단면(斷面)이 사각형이므로, 발포 절연층(2), 내부분 방전성 물질(3)을 함유한 충전층(4)도 단면이 사각형이다.

도 2(a)에 단면도를 도시한 본 발명의 절연 와이어의 또 다른 실시 형태에서는, 발포 절연층(2)의 안쪽에서, 도체(1)의 외주에 충전층(25)을 형성한 이외는 도 1(a)과 같다. 도 2(b)에 나타낸 본 발명의 절연 와이어의 또 다른 실시 형태에서는, 충전층(25)을 외주에 형성한 도체(1)의 외측에 형성한 발포 절연층(2)안에 발포 절연층(2)과 동심원 형상으로 충전층(26)을 갖는 것으로, 도 2(a)의 발포 절연층(2)을 복수층으로 분할하여 적층시킨 형태에 상당한다. 본 명세서에 있어서, 충전층이란 발포하지 않는 층을 의미한다. 이상의 각 도면에 있어서 동일 부호는 동일한 것을 의미하고, 설명을 반복하지 않는다.

이와 같이 발포 절연층의 내외주 혹은 한쪽에 충전층을 가지면, 도체와 절연층의 밀착성이나 기계 강도가 향상되므로 더 바람직하다. 다만, 이 경우, 비유전율을 저하시키는 효과를 방해하지 않도록, 발포 절연층의 두께는, 발포 절연층의 두께와 충전층의 두께의 합계의 30∼90%인 것이 바람직하다. 발포 절연층의 두께의 비율이 너무 낮으면 내부분 방전성이 뒤떨어지게 되므로, 이 점을 고려하여, 그 두께의 비율을 정한다.

상기 내부분 방전성 물질이란, 부분 방전 열화를 받기 어려운 절연 재료로서, 전선의 절연 피막에 분산시킴으로써, 과전(課電) 수명 특성을 향상시키는 작용을 갖는 물질을 말한다. 그 예는 산화물(금속 혹은 비금속 원소의 산화물), 질화물, 유리, 마이카 등이 있고, 구체 예로서는 내부분 방전성 물질(3)은, 실리카, 이산화티탄, 알루미나, 티탄산바륨, 산화아연, 질화갈륨 등의 미립자를 이용할 수 있다. 더 바람직하게는, 실리카, 이산화티탄이다. 미립자의 1차 입자의 입경은 1㎛ 이하가 바람직하고, 500㎚ 이하가 더 바람직하다. 하한은 제한되는 것은 아니지만, 통상 1㎚이다.

내부분 방전성 물질의 입경을 상기 범위로 함에 의해 전선의 과전 수명이 향상한다고 하는 작용 효과가 있는데, 입경이 너무 크면 과전 수명의 향상 효과가 작은데다가, 절연 피막의 표면 평활성이나 가요성이 악화되고, 너무 작으면 응집에 의해 미세화의 효과를 얻기 어렵다.

발포 절연층의 외주의, 발포되지 않은 충전층안의 내부분 방전성 물질의 함유량은, 그 목적의 작용 효과의 점으로부터 정해진다. 바람직하게는 충전층을 구성하는 수지에 대해서 30질량% 이하, 더 바람직하게는 20∼30질량%이다. 가요성을 유지하면서 내부분 방전성의 향상이 크다고 하는 작용을 얻는 함유량을 정한다. 내부분 방전성 물질의 함유량이 너무 많으면 절연 피막의 가요성이 악화된다고 하는 문제를 일으키고, 너무 적으면 과전 수명의 향상 효과가 작아진다.

상기 발포 절연층의 내주에는 충전층을 가져도 좋고, 상기 발포 절연층이, 내외주 혹은 한쪽에 충전층을 갖는 발포층을 복수 적층시킨 것으로 구성되어도 좋다. 내부분 방전성 물질은, 발포 절연층 및/또는 발포 절연층의 내주의 충전층에 함유되어 있어도 좋다. 즉, 외주의 충전층 및 내주의 충전층에 함유되어 있어도 좋고, 외주의 충전층 및 발포 절연층에 함유되어 있어도 좋으며, 외주의 충전층 및 내주의 충전층 및 발포 절연층의 전부에 함유되어 있어도 좋다. 이 경우의 내부분 방전성 물질의 양은, 발포 절연층에서는 수지에 대해, 5∼30%가 바람직하고, 발포 절연층의 내주의 충전층에서는, 수지에 대해 바람직하게는 30질량% 이하, 더 바람직하게는 20∼30질량%의 범위이다. 유전율과 가요성의 점에서, 내주와 외주의 충전층에만 함유되어 있는 것이 바람직하고, 내부분 방전성을 효과적으로 발휘하는 점에서, 외주의 충전층에만 함유되어 있는 것이 특히 바람직하다.

또한, 내부분 방전성 물질을 함유하는 외주의 충전층 바깥의 외주, 즉 절연 와이어의 최외주에 내부분 방전성 물질을 함유하지 않는 충전층을 부여해도 좋다. 이와 같이 구성한 것은 표면의 평활성이 좋고, 미끄럼성이 우수하다. 이 경우, 내부분 방전성 및 유전율의 특성을 손상시키지 않기 위해서, 최외주의 내부분 방전성 물질을 함유하지 않는 충전층의 두께는, 전체 두께의 5∼10%가 바람직하다.

상기의 도체(1)는, 예를 들면, 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 그들의 조합 등으로 만들어져 있다. 도체(1)의 단면 형상은 한정되는 것은 아니고, 원형, 사각형(평각(平角)) 등을 적용할 수 있다.

발포 절연층(2)은, 도체상에 도포하고 눌어붙게 하여 절연 피막을 형성할 수 있도록 바니스 상태로 할 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르설폰(PES), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI) 등을 이용할 수 있다. 더 바람직하게는, 내용제성이 우수한 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI)이다. 아울러, 사용하는 수지는, 1종을 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 혼합하여 이용해도 좋다.

발포 절연층(2)은, 바니스의 주된 용제 성분인 유기용제와 적어도 1 종류의 고비등점 용제를 포함한 2종류 또는 3종류 이상의 용제(후술하는 바와 같이 열경화성 수지를 용해하는 유기용제와, 고비등점 용매로서의 기포핵제(氣泡核劑)와 발포제의 3종, 다만, 고비등점 용매가 기포핵제와 발포제의 양쪽 역할을 하는 경우는 2종)를 혼합한 절연 바니스를 도체 주위에 도포하고, 눌어붙게 함에 의해 얻을 수 있다. 바니스의 도포는 도체상에, 직접 도포해도, 사이에 다른 수지층을 개재시켜서 행하여도 좋다.

발포 절연층(2)은, 특정한 유기용제와 적어도 1종류의 고비등점 용제를 포함한 3종류 이상의 용제를 혼합한 절연 바니스를 도체 주위에 도포하고, 눌어붙게 함에 의해 얻을 수 있다. 바니스의 도포는 도체상에, 직접 도포해도, 사이에 다른 수지층을 개재시켜서 행하여도 좋다.

상기의 유기용제는 열경화성 수지를 용해시키는 용매로서 작용한다. 이 유기용제로서는 열경화성 수지의 반응을 저해하지 않는 한은 특별히 제한은 없으며, 예를 들면, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAC), N,N-디메틸포름아미드 등의 아미드계 용매, N,N-디메틸에틸렌우레아, N,N-디메틸프로필렌우레아, 테트라메틸요소 등의 요소계 용매, γ-부틸올락톤, γ-카프로락톤 등의 락톤계 용매, 프로필렌카보네이트 등의 카보네이트계 용매, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤계 용매, 초산에틸, 초산n-부틸, 부틸셀로솔브아세테이트, 부틸카르비톨아세테이트, 에틸셀로솔브아세테이트, 에틸카르비톨아세테이트 등의 에스테르계 용매, 디그라임, 트리그라임, 테트라그라임 등의 그라임계 용매, 톨루엔, 크실렌, 시클로헥산 등의 탄화수소계 용매, 설포란 등의 설폰계 용매 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 고용해성, 고반응 촉진성 등의 점에서 아미드계 용매, 요소계 용매가 바람직하고, 가열에 의한 가교 반응을 저해하기 쉬운 수소 원자를 갖지 않는 등의 점에서, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸에틸렌우레아, N,N-디메틸프로필렌우레아, 테트라메틸요소가 더 바람직하며, N-메틸-2-피롤리돈이 특히 바람직하다. 이 유기용제의 비등점은, 바람직하게는 160℃∼250℃, 더 바람직하게는 165℃∼210℃인 것이다.

기포 형성용으로 사용 가능한 고비등점 용제는 비등점이 바람직하게는 180℃∼300℃, 더 바람직하게는 210℃∼260℃인 것이다. 구체적으로는, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디부틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 모노메틸에테르 등을 이용할 수 있다. 기포직경의 격차가 작은 점에서 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르가 더 바람직하다. 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디프로필렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 에틸메틸에테르, 디프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜 부틸메틸에테르, 트리프로필렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노부틸에테르, 에틸렌글리콜 모노페닐에테르, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디부틸에테르, 트리에틸렌글리콜 부틸메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 등을 사용할 수 있다. 상기 중에서 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디부틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르 등이 기포핵제로서 바람직하다. 고비등점 용매 중 적어도 2종의 바람직한 조합은, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르와 디에틸렌글리콜 디부틸에테르, 디에틸렌글리콜 디부틸에테르와 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르와 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 부틸메틸에테르와 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 더 바람직하게는 디에틸렌글리콜 디부틸에테르와 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르와 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르의 조(組)를 포함하는 것이다.

기포 형성용의 고비등점 용매는 열경화성 수지를 용해시키는 유기용제보다 고비등점인 것이 필요하고, 1종류로 바니스에 첨가되는 경우에는 열경화성 수지를 용해시키는 유기용제보다 10℃ 이상 높은 것이 바람직하다. 또한, 1종류로 사용한 경우에는 고비등점 용매는 기포핵제와 발포제의 양쪽 역할을 갖는 것을 알 수 있다. 한편, 2종류 이상의 고비등점 용매를 사용한 경우에는, 가장 높은 비등점인 것이 발포제, 열경화성 수지를 용해시키는 유기용제와 가장 높은 비등점의 고비등점 용매의 중간 비등점을 갖는 기포 형성용의 고비등점 용매가 기포핵제로서 작용한다. 가장 비등점이 높은 용매는 열경화성 수지의 용매보다 20℃ 이상 높은 것이 바람직하고, 30∼50℃인 것이 더 바람직하다. 중간의 비등점을 갖는 기포 형성용의 고비등점 용매는, 발포제로서 작용하는 용매의 비등점과 열경화성 수지의 용매의 중간에 비등점이 있으면 좋은데, 바람직하게는 발포제의 비등점과 10℃ 이상의 비등점차를 갖는 것이 바람직하다. 중간의 비등점을 갖는 기포 형성용의 고비등점 용매는 발포제로서 작용하는 용매보다 열경화성의 용해도가 높은 경우, 바니스를 눌어붙게 한 후에 균일한 기포를 형성시킬 수 있다.

본 발명에 있어서는, 특성에 영향을 미치지 않는 범위에서, 발포 절연층을 얻는 원료에, 기포화핵제, 산화방지제, 대전방지제(帶電防止劑), 자외선방지제, 광안정제, 형광증백제, 안료, 염료, 상용화제(相溶化制), 활제(滑劑), 강화제, 난연제(難燃劑), 가교제(架橋劑), 가교조제(架橋助劑), 가소제(可塑劑), 증점제(增粘劑), 감점제(減粘劑), 및 엘라스토머 등의 각종 첨가제를 배합해도 좋다. 또한, 얻어지는 절연 와이어에, 이들 첨가제를 함유하는 수지로 이루어지는 층을 적층해도 좋고, 이들 첨가제를 함유하는 도료를 코팅해도 좋다.

얻어지는 절연 와이어에 있어서, 부분 방전 발생 전압의 향상 효과를 얻기 위해서는, 절연 와이어의 실효적인 비유전율은 4.0 이하인 것이 바람직하고, 3.0 이하인 것이 더 바람직하다. 비유전율의 하한은 제한하는 것은 아니지만 바람직하게는 1.5 이상이다. 비유전율은, 시판된 측정기를 사용하여 측정할 수 있다. 측정 온도 및 측정 주파수에 대해서는, 필요에 따라서 변경할 수 있지만, 본 명세서에 있어서 특별히 기재가 없는 한, 측정 온도를 25℃로 하고, 측정 주파수를 50Hz로 하여 측정하였다.

필요한 비유전율을 실현하기 위해서, 발포 절연층(2)의 발포 배율은, 1.2배 이상이 바람직하고, 1.4배 이상이 더 바람직하다. 발포 배율의 상한에 제한은 없지만, 통상 5.0배 이하로 하는 것이 바람직하다. 발포 배율은, 발포를 위해서 피복한 수지의 밀도(ρf) 및 발포 전의 밀도(ρs)를 수중 치환법에 의해 측정하고, (ρs/ρf)에 의해 산출한다.

발포 절연층(2)은, 평균 기포직경을 5㎛ 이하로 하는데, 바람직하게는 3㎛ 이하, 더 바람직하게는 1㎛ 이하이다. 5㎛를 넘으면 절연 파괴 전압이 저하하고, 5㎛ 이하로 함에 의해 절연 파괴 전압을 양호하게 유지할 수 있다. 또한, 3㎛ 이하로 함에 의해, 절연 파괴 전압을 더 확실히 유지할 수 있다. 평균 기포직경의 하한에 제한은 없지만, 1㎚ 이상인 것이 실제적이고, 바람직하다. 발포 절연층(2)의 두께에 제한은 없지만, 10∼200㎛가 실제적이고, 바람직하다.

내부분 방전성 물질(3)은, 실리카, 이산화티탄, 알루미나, 티탄산바륨, 산화아연, 질화갈륨 등의 미립자를 이용할 수 있다. 더 바람직하게는, 실리카, 이산화티탄이다. 미립자의 입경은 1㎛ 이하가 바람직하고, 500 ㎚ 이하가 더 바람직하다.

충전층(4)은, 본 발명에서는 발포하지 않는 층을 의미한다. 내부분 방전성을 향상시키기 위해서 절연 피막의 최외층에는 내부분 방전성 물질(3)을 포함한다. 그 이외의 충전층에 내부분 방전성 물질을 함유해도 상관없고, 그것이 전체 층이어도 좋다.

실시예

다음으로, 본 발명을 실시예에 기초하여 더 상세하게 설명하지만, 이는 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 아울러, 하기의 예 중, 조성을 나타내는 %는 질량 %를 말한다.

실시예, 비교예의 절연 와이어를 이하와 같이 제작하였다. 발포 절연층에 이용하는 폴리아미드이미드 바니스는, 2L용량의 세퍼러블 플라스크(separable flask)에 HI-406(수지성분 32질량%의 NMP용액)(상품명임, 히타치가세이사(日立化成社) 제품) 1000g을 넣고, 이 용액에 기포 형성제로서 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르 100g과 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르 150g을 첨가함에 의해 얻었다. 충전층에 이용하는 폴리아미드이미드 바니스는 HI-406, 1000g을 이용하였다. 이 폴리아미드이미드 바니스 1000g은 용제로서 NMP를 이용하여 30질량% 수지 용액으로서 이용하였다.

발포 절연층에 이용하는 폴리이미드 바니스는, 2L용량의 세퍼러블 플라스크에, U이미드(수지성분 25질량%의 NMP용액)(유니티카사 제조의 상품명) 1000g을 넣고, 용제로서 NMP 75g, DMAC 150g, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르 200g을 첨가함에 의해 얻었다. 충전층에 이용하는 폴리이미드 바니스는 U이미드를 이용하고, 그 수지 1000g에 용제로서 DMAC 250g를 첨가하여 조제하였다.

얻어진 각 절연 바니스를 1㎜φ의 구리 도체상에 도포, 노(爐) 온도 520℃에서 눌어붙게 하여, 막 두께 26∼29㎛의 절연 와이어를 얻었다. 얻어진 절연 와이어에 대해서, 치수, 유전율, 부분 방전 개시전압, 과전 수명, 내열성, 가요성을 평가하였다.

(실시예 1)

발포 폴리아미드이미드층(두께 18㎛), 폴리아미드이미드의 내부 충전층(4㎛), 및 폴리아미드이미드에 실리카(입경 15㎚)를 20% 함유한 외측 충전층(4㎛)으로 구성되는 절연 와이어(도 2(a) 참조)를 얻었다. 기포직경은 4㎛였다.

(실시예 2)

발포 폴리아미드이미드층(두께 18㎛), 폴리아미드이미드의 내부 충전층(4㎛), 및 폴리아미드이미드에 이산화티탄(입경 15㎚)을 20% 함유한 외측 충전층(5㎛)으로 구성되는 절연 와이어(도 2(a) 참조)를 얻었다. 기포직경은 4㎛였다.

(실시예 3)

발포 폴리아미드이미드층(두께 18㎛), 폴리아미드이미드의 내부 충전층(4㎛), 및 폴리아미드이미드에 이산화티탄(입경 15㎚)을 30% 함유한 외측 충전층(4㎛)으로 구성되는 절연 와이어(도 2(a) 참조)를 얻었다. 기포직경은 4㎛였다.

(실시예 4)

발포 폴리아미드이미드층(두께 10㎛), 폴리아미드이미드의 내부 충전층(4㎛), 및 폴리아미드이미드에 이산화티탄(입경 15㎚)을 30% 함유한 외측 충전층(15㎛)으로 구성되는 절연 와이어(도 2(a) 참조)를 얻었다. 기포직경은 4㎛였다.

(실시예 5)

발포 폴리이미드층(두께 17㎛), 폴리이미드의 내부 충전층(4㎛), 및 폴리아미드이미드에 이산화티탄(입경 15㎚)을 30% 함유한 외측 충전층(5㎛)으로 구성되는 절연 와이어(도 2(a) 참조)를 얻었다. 기포직경은 2㎛였다.

(실시예 6)

발포 폴리아미드이미드층(두께 20㎛), 폴리아미드이미드에 이산화티탄(입경 15㎚)을 30% 함유한 내부 충전층(4㎛), 및 외측 충전층(6㎛)으로 구성되는 절연 와이어(도 2(a) 참조)를 얻었다. 기포직경은 4㎛였다.

(실시예 7)

이산화티탄(입경 15㎚)을 30% 함유한 발포 폴리아미드이미드층(두께 20㎛), 마찬가지로 이산화티탄(입경 15㎚)을 30% 함유한 폴리아미드이미드의 내부 충전층(4㎛), 및 외측 충전층(6㎛)으로 구성되는 절연 와이어(도 2(a) 참조)를 얻었다. 기포직경은 4㎛였다.

(비교예 1)

폴리아미드이미드층(26㎛)으로 구성되는 절연 와이어를 얻었다.

(비교예 2)

실리카(입경 15㎚)를 30% 함유한 폴리아미드이미드층(27㎛)으로 구성되는 절연 와이어를 얻었다.

(비교예 3)

이산화티탄(입경 15㎚)을 30% 함유한 폴리아미드이미드층(28㎛)으로 구성되는 절연 와이어를 얻었다.

(비교예 4)

발포 폴리아미드이미드층(두께 18㎛), 폴리아미드이미드의 내부 충전층(5㎛), 및 폴리아미드이미드의 외측 충전층(4㎛)으로 구성되는 절연 와이어를 얻었다.

(비교예 5)

발포 폴리아미드이미드층(두께 19㎛), 폴리아미드이미드의 내부 충전층(4㎛), 및 폴리아미드이미드에 이산화티탄(입경 15㎚)을 40% 함유한 외측 충전층(4㎛)으로 구성되는 절연 와이어를 얻었다. 기포직경은 4㎛였다.

(비교예 6)

발포 폴리아미드이미드층(두께 5㎛), 폴리아미드이미드의 내부 충전층(4㎛), 및 폴리아미드이미드에 이산화티탄(입경 15㎚)을 30% 함유한 외측 충전층(20㎛)으로 구성되는 절연 와이어를 얻었다. 기포직경은 4㎛였다.

실시예 1∼5 및 비교예 1∼6에서 얻어진 절연 와이어의 구성, 물성과 평가 시험 결과를 표 1, 표 2에 나타냈다.

평가방법은 이하와 같다.

[발포 절연층의 두께 및 평균 기포직경]

발포 절연층의 두께 및 평균 기포직경은, 발포 전선의 단면을 주사 전자현미경(SEM)으로 관측함에 의해 구하였다. 평균 기포직경에 대해 더 구체적으로 설명하면, SEM로 관찰한 단면으로부터 임의로 선택한 20개의 기포의 직경을 측정하고, 그들의 평균치를 구하였다.

[공극률]

공극률은, 발포 전선의 밀도(ρf) 및 발포전의 밀도(ρs)를 수중 치환법에 의해 측정하고, (ρf/ρs)에 의해 산출하였다.

[비유전율]

비유전율은, 발포 전선의 정전 용량을 측정하고, 정전(靜電) 용량과 발포 절연층의 두께로부터 얻어진 비유전율을 산출하였다. 정전 용량의 측정에는, LCR 하이테스터(히오키덴키가부시키가이샤(日置電氣株式會社) 제품, 형식 3532-50)를 이용하였다.

[부분 방전 발생 전압]

2개의 전선을 트위스트 형상으로 꼬아 합친 시험편을 제작하고, 각각의 도체간에 정현파(正弦波) 50Hz의 교류 전압을 인가하여, 연속적으로 승압시키면서 방전 전하량이 10pC 때의 전압(실효치)을 측정하였다. 측정온도는 상온으로 한다. 부분 방전 발생 전압의 측정에는 부분 방전 시험기(기쿠스이 덴시고교(菊水電子工業) 제품, KPD2050)를 이용하였다.

[과전 수명]

2개의 전선을 꼬아 합쳐 각각의 도체간에 정현파 10kHz-1 kVp의 교류 전압을 인가하여, 절연 파괴될 때까지의 시간을 측정한다. 측정 온도는 상온으로 한다. 절연 파괴까지의 시간이 100분 이상을 합격으로 하였다.

◎: 1000분 이상

○: 100분 이상 1000분 미만

×: 100분 미만

[내열성]

전선을 200℃의 고온 조(槽)중에 500시간 방치하고, 피막의 균열의 유무를, 육안으로 조사하였다.

○: 균열 없음

×: 균열 있음

[가요성]

각 전선 자체의 주위에, 선과 선이 접촉하도록 긴밀히 10회 귄취했을 때의 피막의 균열 유무를, 육안으로 조사하였다.

○: 균열 없음

×: 균열 있음

[입경]

입경은 주사 전자현미경(SEM)으로 관측함에 의해 구하였다. 임의로 선택한 20개의 1차 입자의 직경을 측정하고, 그들의 평균치로 정의하였다.

[기포직경]

평균 기포직경은, 발포층의 단면을 주사 전자현미경(SEM)으로 관측함에 의해 구하였다. 평균 기포직경에 대해 더 구체적으로 설명하면, SEM으로 관찰한 단면으로부터 임의로 선택한 20개의 기포의 절연층의 두께 방향의 길이를 측정하고, 그들의 평균치로 정의하였다.

[눌어붙음 조건]

각 실시예, 비교예의 발포 절연층, 충전층의 눌어붙음 온도는 하기 표 1, 2에 정리한 바와 같다.

[표 1]

[표 2]

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 발포 절연층과 그 외주에 내부분 방전성 물질을 포함한 충전층을 갖는 실시예 1∼4의 에나멜선은, 발포에 의한 비유전율의 저하와 부분 방전 개시전압의 향상이 확인되었고, 또한, 과전 수명, 내열성, 가요성이 양호하였다.

또한, 내주와 외주에 내부분 방전성 물질을 포함한 충전층을 갖는 실시예 6, 및 내주와 외주의 충전층과 발포 절연층의 전부에 내부분 방전성 물질을 포함한 실시예 7의 에나멜선에 대해서도, 마찬가지로 발포에 의한 비유전율의 저하와 부분 방전 개시전압의 향상이 확인되었고, 또한, 과전 수명, 내열성, 가요성이 양호하였다.

한편, 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 발포 절연층과 내부분 방전물질을 포함한 충전층을 갖지 않는 비교예 1은, 부분 방전 개시전압, 과전 수명이 뒤떨어진다. 내부분 방전물질을 포함한 충전층은 갖지만 발포 절연층을 갖지 않는 비교예 2∼3은, 부분 방전 개시전압이 뒤떨어진다. 발포 절연층을 갖지만 내부분 방전물질을 포함한 충전층을 갖지 않는 비교예 4는, 과전 수명이 뒤떨어진다. 발포 절연층과 내부분 방전물질을 포함한 충전층을 갖지만, 그 함유량이 40%인 비교예 5는, 가요성이 뒤떨어진다. 발포 절연층과 내부분 방전물질을 포함한 충전층을 갖지만, 발포 절연층의 비율이 층의 두께로 17%인 비교예 6은, 부분 방전 개시전압이 뒤떨어진다.

본 발명의 절연 와이어는, 도 1 및 도 2에 단면도가 도시된 것과 같은 단면이다.

실시예 1∼5는, 발포 절연층의 안쪽 및 외측에 충전층을 갖는, 도 2(a)에 단면도가 도시된 것과 같은 단면이다. 이들에 대해서, 본 발명의 발포 전선은, 도 1(a)에 단면도가 도시된 바와 같이, 안쪽 충전층이 없는 경우나, 도 1(b)에 단면도가 도시된 바와 같이, 사각형의 도체에도 적용 가능하다.

본 발명은, 상기의 실시 형태에 한정되는 일은 없고, 본 발명의 기술적 사항의 범위내에 있어서, 여러 가지의 변경이 가능하다.

본 발명은, 자동차를 비롯하여, 각종 전기·전자기기 등, 내전압성이나 내열성을 필요로 하는 분야에 이용 가능하다. 본 발명의 절연 와이어는 모터나 트랜스 등에 이용하여 고성능의 전기·전자기기를 제공할 수 있다. 특히 HV(하이브리드 카)나 EV(전기자동차)의 구동 모터용의 코일로서 적합하다.

본 발명을 그 실시 형태와 함께 설명했지만, 특별히 지정하지 않는 한 본 발명을 설명의 어느 상세부로 한정하려고 하는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반함 없이 폭넓게 해석되어야 한다고 생각한다.

본원은, 2012년 3월 7일에 일본국에서 특허 출원된 특원2012-51037에 기초하는 우선권을 주장하는 것이고, 이것은 여기에 참조되고 그 내용을 본 명세서의 기재의 일부로서 포함한다.

1 : 도체
2 : 발포 절연층
3 : 내부분 방전성 물질
4 : 충전층

Claims (10)

1. 도체(導體)와 열경화성 수지를 발포시킨 발포 절연층과 발포 절연층의 외주(外周)에 발포되지 않은 충전층(充塡層)을 갖는 절연 와이어로서, 상기 충전층에 내부분(耐部分) 방전성(放電性) 물질을 수지에 대해서 30질량% 이하 함유하고, 상기 발포 절연층의 두께가, 발포 절연층의 두께와 충전층의 두께의 합계의 30% 이상인 것을 특징으로 하는 절연 와이어.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 발포 절연층의 내주(內周)에 충전층을 갖는 것을 특징으로 하는 절연 와이어.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 발포 절연층이, 내외주 혹은 한쪽에 충전층을 갖는 발포층을 복수 적층시킨 것을 특징으로 하는 절연 와이어.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 발포 절연층과 내주의 충전층 중 적어도 어느 하나에 내부분 방전성 물질을 함유한 것을 특징으로 하는 절연 와이어.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 내부분 방전성 물질이, 이산화티탄 또는 실리카인 것을 특징으로 하는 절연 와이어.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 발포 절연층이 및 충전층이, 폴리이미드, 폴리아미드이미드 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절연 와이어.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 발포 절연층 및 충전층으로 구성되는 층의 비유전율(比誘電率)이 4 이하인 것을 특징으로 하는 절연 와이어.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 발포 절연층의 평균 기포직경이 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 절연 와이어.
9. 도체상에, 직접 혹은 충전층을 통하여, 열경화성 수지의 바니스(varnish)를 도포하고, 눌어붙게 하여 이 열경화성 수지의 바니스의 눌어붙임 공정중에 발포시킴에 의해 상기 발포 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 절연 와이어의 제조방법.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 절연 와이어를 모터 또는 트랜스에 이용하여 이루어지는 전자·전기기기.

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