JP2012244861A - 絶縁コイル - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁層の厚さを必要以上に厚くすることなく耐電圧特性を向上させ且つ放熱性にも優れた絶縁コイルを提供すること。
【解決手段】コイル導体と、マイカ層シートを補強材にバインダ樹脂で接着させた絶縁テープをコイル導体に巻回し熱硬化性樹脂を含浸して硬化した絶縁層とを備える絶縁コイルであって、補強材が、特定の範囲の平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤を、絶縁層中の樹脂成分に対して８重量％以上７０重量％以下の量で含有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱性及び耐電圧特性に優れた絶縁コイルに関するものである。

高出力の回転電機では、発生した熱を効率良く放熱するため、絶縁コイルの熱伝導率を向上させる必要があり、従来、絶縁コイルの絶縁被覆に高熱伝導性の絶縁材料を用いることが試みられている。

高熱伝導性の絶縁材料で絶縁されたコイルとして、ガラス繊維織布に固着されたマイカフレーク層と、このマイカフレーク層間の空間に配置され且つ無機粒子を含有する含浸樹脂とからなる絶縁材料で導体が絶縁されたコイルが知られている。この無機粒子は、５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有し、少なくとも９０重量％が０．１〜１５μｍの粒径を有するものであり、具体的には、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、炭化珪素等である。

このような絶縁コイルは、例えば、以下に示す方法で製造されている。第１の方法としては、コイル導体に巻回する前の、ガラス繊維織布に固着されたマイカフレーク層からなる絶縁テープに液状樹脂を含浸して、この樹脂が含浸された絶縁テープの表面に、無機粒子をコーティングし、この無機粒子がコーティングされた絶縁テープをコイル導体に巻回する方法である（例えば、特許文献１参照）。

さらに、第２の方法としては、コイル導体に巻回する前の、ガラス繊維織布に固着されたマイカフレーク層からなる絶縁テープに、高熱伝導率な無機粒子を含有する液状樹脂をコーティングし、無機粒子含有樹脂がコーティングされた絶縁テープをコイル導体に巻回する方法である（例えば、特許文献２参照）。

特開昭６３−１１０９２９号公報（特に、第４頁〜第６頁） 特開平１１−２０６０５６号公報（特に、第３頁）

上記従来技術の絶縁コイルにおいて高い熱伝導性を達成しようとすると、絶縁テープを巻回してなる絶縁層におけるマイカフレーク層間に、熱伝導率が小さいガラス繊維及び樹脂だけではなく、無機粒子を多量に存在させる必要がある。しかしながら、そのような絶縁テープでは、無機粒子を含む層が厚くなり、結果として絶縁層そのものが厚くなる。

絶縁コイルの耐電圧特性は、一般に、絶縁層中のマイカフレーク層の層数に依存し、この層数が多いほど耐電圧特性が優れる。しかし、絶縁コイルは、回転電機の固定子のスロット溝に挿入されるため、絶縁コイルの絶縁層の厚さは制限されており、上記従来技術では、無機粒子を含む層が厚くなり、絶縁層中のマイカフレーク層の層数を減らさざるを得ず、耐電圧特性が低下したり、また、絶縁テープの柔軟性が不十分となり、絶縁テープをコイル導体に沿って巻回することが困難となるという問題があった。

従って、本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、絶縁層の厚さを必要以上に厚くすることなく耐電圧特性を向上させ且つ放熱性にも優れた絶縁コイルを提供することを目的とするものである。

本発明は、コイル導体と、マイカ層シートを補強材にバインダ樹脂で接着させた絶縁テープを該コイル導体に巻回し熱硬化性樹脂を含浸して硬化した絶縁層とを備える絶縁コイルであって、該補強材が、１５μｍ以上７０μｍ以下の平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤を、該絶縁層中の樹脂成分に対して８重量％以上７０重量％以下の量で含有することを特徴とする絶縁コイルである。

本発明によれば、絶縁層の厚さを必要以上に厚くすることなく耐電圧特性を向上させることができ且つ放熱性にも優れる絶縁コイルを提供することができる。

本発明の実施の形態１による絶縁コイルの模式断面図である。 本発明の実施の形態１による絶縁コイルの作製に用いる絶縁テープの模式断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による絶縁コイルの模式断面図である。
図１において、実施の形態１による絶縁コイルは、コイル導体１と、マイカ層シート２を補強材３にバインダ樹脂で接着させた絶縁テープ４を、絶縁コイルの最外層が絶縁テープ４の補強材３となるようにコイル導体１に巻回し熱硬化性樹脂を含浸して硬化した絶縁層５とを備える。図２は、この絶縁テープ４の部分拡大模式断面図である。図２において、補強材３は、マイカ層シート２を支持し補強するものである。補強材３は、補強基材６と、補強基材６の隙間に充填された凝集無機充填剤７及び樹脂８とから構成されている。

マイカ層シート２は、集成マイカ箔やフレークマイカ箔等のマイカ箔と、このマイカ箔を結合させる樹脂とからなる。この樹脂には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等が用いられる。

補強基材６としては、凝集無機充填剤７を充填することができる隙間を有するものであればよく、ガラスクロス、ポリイミドフィルム（例えばカプトン（登録商標）フィルム）、ポリエチレンテレフタレートフィルム等が挙げられる。これらの中でも、ガラスクロスは、絶縁テープ４の引張強さを高め、絶縁テープ４をコイル導体１に巻回し易くし、また、絶縁層５の熱伝導率を大きくできるという点で好ましい。また、補強基材６の好ましい目開き率は、８０％以上９８％以下である。また、補強基材６の厚さは、通常、２０μｍ以上５０μｍ以下の範囲であるが、中でも、熱伝導率及び耐電圧特性という点で、凝集無機充填剤７の平均二次粒子径の０．６倍以上２倍以下とすることが好ましい。

補強基材６の隙間に充填される樹脂８としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。

凝集無機充填剤７は、マイカより熱伝導率が大きい無機粒子の凝集体、具体的には５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する無機粒子の凝集体である。このような凝集無機充填剤７の具体例としては、窒化ホウ素粒子凝集体、窒化アルミニウム粒子凝集体、窒化珪素粒子凝集体、酸化アルミニウム粒子凝集体、酸化マグネシウム粒子凝集体、酸化ベリリウム粒子凝集体、炭化珪素粒子凝集体が挙げられる。これらの凝集無機充填剤７は、１種類を用いてもよいし、複数種のものを混合して用いてもよい。また、凝集無機充填剤７は、同種の無機粒子を２個以上凝集固着させたものでもよいし、異種の無機粒子を２個以上凝集固着させたものでもよい。

凝集無機充填剤７の平均二次粒子径（凝集体の平均粒子径）は、１５μｍ以上７０μｍ以下であることが必要であり、好ましくは１７μｍ以上６０μｍ以下である。凝集無機充填剤７の平均二次粒子径が１５μｍ未満である場合、所望の熱伝導率を得ることができず、また補強基材６の隙間から流出してしまう。一方、凝集無機充填剤７の平均二次粒子径が７０μｍ超である場合、絶縁層５の厚みが必要以上に厚くなる上に、作製された絶縁テープ４を巻き取る際あるいはコイル導体１に絶縁テープ４を巻回する際にマイカ層を破損させてしまう。なお、凝集無機充填剤７を解凝集させたときの平均粒子径（平均一次粒子径）は、５０μｍ以下であることが好ましい。
このような特定の平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤７を用いることにより、樹脂８と凝集無機充填剤７の表面との接触面積が大きくなり、特に凝集無機充填剤７の内部に樹脂８が入り込み、マイカ層シート２と補強材３との接着強度が向上する。また、凝集無機充填剤７は、コイル導体１に絶縁テープ４を巻回する際に適度に解凝集されるので、補強材３から脱落することなく、補強材３内で分散される。そして、凝集無機充填剤７は、その後の熱硬化性樹脂の含浸工程、コイル加圧工程及び硬化工程でも補強材３から流出することなく、補強材３中に存在し続ける。

凝集無機充填剤７の充填量は、絶縁層５中の樹脂成分（マイカ層シート２の作製に使用した樹脂、マイカ層シート２を補強材３に接着するのに使用した樹脂及び含浸された熱硬化性樹脂）に対して、８重量％以上７０重量％以下であることが必要であり、好ましくは１０重量％以上６０重量％以下である。凝集無機充填剤７の充填量が８重量％未満である場合、所望の熱伝導率を得ることができない上に、絶縁層５における樹脂成分比率が多くなって層厚が厚くなり、結果的に所望の熱伝導率を得ることができない。一方、凝集無機充填剤７の充填量が７０重量％超である場合、絶縁層５の厚みが必要以上に厚くなる上に、絶縁テープ４が硬くなるので、作製した絶縁テープ４を巻き取る際にマイカ層を破損させてしまったり、コイル導体１に絶縁テープ４を巻回することが困難となり、また、凝集無機充填剤７が補強材３から脱落してしまう。

また、補強材３には、上記した凝集無機充填剤７とともに、１０μｍ以下の平均一次粒子径を有する補助無機充填剤を充填してもよい。平均一次粒子径が１０μｍ超の補助無機充填剤を併用すると、絶縁層５の厚みが必要以上に厚くなってしまう恐れがあるので好ましくない。また、絶縁層５に必要な樹脂８の量が増え、結果的に熱伝導率が低くなる恐れもある。更に、作製された絶縁テープ４を巻き取る際あるいはコイル導体１に絶縁テープ４を巻回する際にマイカ層を破損させてしまう恐れもある。このような平均一次粒子径を有する補助無機充填剤は、１５μｍ以上７０μｍ以下の平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤７の存在により、補強材３から流出することなく、補強材３中に存在することとなる。また、補助無機充填剤は、凝集無機充填剤７の間隙にも存在することとなるので、熱伝導率の向上に寄与する。

１０μｍ以下の平均一次粒子径を有する補助無機充填剤を併用する場合、補強材３に含有される凝集無機充填剤７との総量が、絶縁層５中の樹脂成分に対して２０重量％以上７０重量％以下となるようにすることが望ましい。

次に、本実施の形態による絶縁コイルの製造方法について説明する。
本実施の形態絶縁コイルは、マイカ層シート２を補強基材６にバインダ樹脂で接着させた接着シート体の補強基材側に、凝集無機充填剤７と樹脂８とを含有するスラリーを塗布して補強基材６の隙間に凝集無機充填剤７と樹脂８とを充填し、絶縁テープ４を得、この絶縁テープ４を絶縁テープ４のマイカ層シート側がコイル導体側となるようにコイル導体１の外周部に半重ね巻で巻回し、次いで、巻回された絶縁テープ４（主絶縁層と呼ぶことがある）に液状熱硬化性樹脂を含浸し、所定の型で押さえ、硬化炉にて加熱し、熱硬化性液状樹脂を硬化させて絶縁層５を形成することにより製造することができる。液状熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、マレイミド樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。

上記スラリーの塗布方法は、特に限定されるものではなく、スプレー塗装、ロール塗装等が挙げられる。上記スラリーには、硬化剤、硬化促進剤等を添加してもよい。しかし、主剤と硬化剤と硬化促進剤とを混合すると補強基材６内で硬化反応が進行して絶縁テープ４が硬くなり、作製した絶縁テープ４を巻き取ることが困難となったり、あるいはコイル導体１に巻回することが困難となる。また、スラリーの塗工性を向上させるために有機溶剤を用いることもできる。この場合、スラリー塗布後に、有機溶剤を揮発させることが望ましい。

凝集無機充填剤７と上述した１０μｍ以下の平均一次粒子径を有する補助無機充填剤とを併用する場合、凝集無機充填剤７と樹脂８と１０μｍ以下の平均一次粒子径を有する補助無機充填剤とを含有するスラリーを補強基材６に塗布して補強材３内に充填してもよいし、凝集無機充填剤７と樹脂８とを含有するスラリー塗布後に、１０μｍ以下の平均一次粒子径を有する補助無機充填剤と樹脂８とを含有するスラリーを更に塗布して補強材３内に充填してもよい。

本実施の形態による絶縁コイルは、マイカ層シートより熱伝導率が大きい補強材（高熱伝導層と呼ぶことがある）が絶縁層に設けられているので、熱伝導性が優れている。また、絶縁コイル作製時に使用する絶縁テープは柔軟性が高く無機充填剤を含む層の厚さを薄くできるので、絶縁コイルの絶縁層の厚さを必要以上に厚くすることなく、優れた耐電圧特性を確保することができる。

以下、本発明の絶縁コイルについて、実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。
〔実施例１〕
集成マイカ粉を水中分散し、その分散液を抄紙機にて抄造して集成マイカ箔を作製した。この集成マイカ箔に、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート（登録商標）８３４（ジャパンエポキシレジン（株））｝１００重量部とナフテン酸亜鉛１０重量部とメチルエチルケトン４００重量部とを混合した樹脂組成物を、ロールコータ法により塗布するとともに、集成マイカ箔を仮の支持材である幅１０００ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍで所定の長さのポリエステルフィルムに貼合わせ、マイカ層の仕上がり厚さが０．１ｍｍのマイカ層シートを作製した。
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート（登録商標）８３４（ジャパンエポキシレジン（株））｝１００重量部とナフテン酸亜鉛１０重量部とメチルエチルケトン１０００重量部とを混合した樹脂組成物を、補強基材である幅１０００ｍｍ、厚さ５０μｍ、目開き率９７％で所定の長さのガラスクロスに、ロールコータ法により塗布した後、有機溶剤を揮発させ、樹脂付着ガラスクロスシートを作製した。
次に、上記マイカ層シートのマイカ層面に、上記樹脂付着ガラスクロスシートを貼合わせた。このようにして貼合わされたものを、６０℃の熱ロールで加圧し、マイカ層シートに樹脂付着ガラスクロスシートを圧着させた。
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート（登録商標）８３４（ジャパンエポキシレジン（株））｝とナフテン酸亜鉛とを混合し、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）を添加し、メチルエチルケトンを用いて希釈し、凝集無機充填剤のスラリーを調製した。なお、表１における無機充填剤の充填量は、絶縁層中の樹脂成分に対する割合である。
このスラリーをスプレー法により、上記マイカ層シートと樹脂付着ガラスクロスシートとの接合体における樹脂付着ガラスクロスシート面に塗布した後、有機溶剤を揮発させ、６０℃の熱ロールで加圧し、ポリエステルフィルムとマイカ層シートと補強材とからなる絶縁シートを得た。この絶縁シートを幅３０ｍｍに切断し、絶縁テープとした。
次に、ポリエステルフィルムを取り除いた絶縁テープを、マイカ層シート面をテストバー（コイル導体）側にして、半重ね巻きで、５０ｍｍ×１２ｍｍ×１１４０ｍｍのテストバーに巻回し、主絶縁層を形成した。この際、マイカ層の破損は起こらず、巻回性は良好であった。さらに、この絶縁テープからなる主絶縁層に、真空加圧含浸方式により、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート（登録商標）８２８（ジャパンエポキシレジン（株））｝とメチルテトラヒドロ無水フタル酸硬化剤｛商品名：ＨＮ−２２００（日立化成工業（株））｝とからなる熱硬化性樹脂組成物を含浸させた。この主絶縁層を、４．２６ｍｍの絶縁厚さになるように治具を用いて型締めし、乾燥炉で加熱して、樹脂を硬化することによりテスト用絶縁コイルを作製した。

次に、得られたテスト用絶縁コイルの絶縁層の熱伝導率と耐電圧特性とを評価した。
絶縁層の熱伝導率はテスト用絶縁コイルの絶縁層から切り出した試験片について、熱伝導率測定装置｛型式：ＴＸＰ−０３（三鬼科学システム（株））｝を用いて測定した。
耐電圧特性は、テスト用絶縁コイルの絶縁層から切り出した試験片について、２５℃において、ステップバイステップ法により電圧を印加し、絶縁破壊がおこる電圧から求めた。結果を表２に示す。

〔実施例２及び３〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）をスラリーに配合する以外は実施例１と同様にして、テスト用絶縁コイルを作製した。いずれの実施例においても、マイカ層の破損は起こらず、巻回性は良好であった。得られたテスト用絶縁コイルにおける絶縁層の熱伝導率と耐電圧特性とを表２に示す。

〔実施例４〜９〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）及び平均一次粒子径を有する補助無機充填剤（窒化ホウ素粒子）をスラリーに配合する以外は実施例１と同様にして、テスト用絶縁コイルを作製した。いずれの実施例においても、マイカ層の破損は起こらず、巻回性は良好であった。得られたテスト用絶縁コイルにおける絶縁層の熱伝導率と耐電圧特性とを表２に示す。

〔実施例１０〜１４〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）をスラリーに配合して凝集無機充填剤のスラリーを塗布した後、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート（登録商標）８３４（ジャパンエポキシレジン（株））｝とナフテン酸亜鉛とを混合し、表１に示す平均一次粒子径を有する補助無機充填剤（窒化ホウ素粒子）を添加し、メチルエチルケトンを用いて希釈して得られた補助無機充填剤のスラリーを塗布する以外は実施例１と同様にして、テスト用絶縁コイルを作製した。いずれの実施例においても、マイカ層の破損は起こらず、巻回性は良好であった。得られたテスト用絶縁コイルにおける絶縁層の熱伝導率と耐電圧特性とを表２に示す。

〔比較例１〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤をスラリーに配合する以外は実施例１と同様にして、テスト用絶縁コイルを作製した。テスト用絶縁コイルの作製時にマイカ層の破損は起こらず、巻回性は良好であった。得られたテスト用絶縁コイルにおける絶縁層の熱伝導率と耐電圧特性とを表２に示す。

〔比較例２〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）及び平均一次粒子径を有する補助無機充填剤（窒化ホウ素粒子）をスラリーに配合する以外は実施例１と同様にして、テスト用絶縁コイルを作製した。テスト用絶縁コイルの作製時にマイカ層の破損は起こらず、巻回性は良好であった。得られたテスト用絶縁コイルにおける絶縁層の熱伝導率と耐電圧特性とを表２に示す。

〔比較例３〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）をスラリーに配合して凝集無機充填剤のスラリーを塗布した後、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート（登録商標）８３４（ジャパンエポキシレジン（株））｝とナフテン酸亜鉛とを混合し、表１に示す平均一次粒子径を有する補助無機充填剤（窒化ホウ素粒子）を添加し、メチルエチルケトンを用いて希釈して得られた補助無機充填剤のスラリーを塗布する以外は実施例１と同様にして、絶縁テープを作製した。この絶縁テープを用いてテスト用絶縁コイルを作製しようとしたところ、巻回する際にマイカ層の破損が起こった。

〔比較例４〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）をスラリーに配合して凝集無機充填剤のスラリーを塗布した後、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート（登録商標）８３４（ジャパンエポキシレジン（株））｝とナフテン酸亜鉛とを混合し、表１に示す平均一次粒子径を有する補助無機充填剤（窒化ホウ素粒子）を添加し、メチルエチルケトンを用いて希釈して得られた補助無機充填剤のスラリーを塗布する以外は実施例１と同様にして、テスト用絶縁コイルを作製した。テスト用絶縁コイルの作製時にマイカ層の破損は起こらず、巻回性は良好であった。得られたテスト用絶縁コイルにおける絶縁層の熱伝導率と耐電圧特性とを表２に示す。

〔比較例５〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）をスラリーに配合する以外は実施例１と同様にして、テスト用絶縁コイルを作製した。テスト用絶縁コイルの作製時にマイカ層の破損は起こらず、巻回性は良好であった。得られたテスト用絶縁コイルにおける絶縁層の熱伝導率と耐電圧特性とを表２に示す。

〔比較例６〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）をスラリーに配合する以外は実施例１と同様にして、絶縁テープを作製した。この絶縁テープを用いてテスト用絶縁コイルを作製しようとしたところ、巻回する際にマイカ層の破損が起こった。

〔比較例７〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）をスラリーに配合する以外は実施例１と同様にして、テスト用絶縁コイルを作製した。テスト用絶縁コイルの作製時にマイカ層の破損は起こらず、巻回性は良好であった。得られたテスト用絶縁コイルにおける絶縁層の熱伝導率と耐電圧特性とを表２に示す。

〔比較例８〕
表１に示す補強基材を用い、表１に示す平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤（窒化ホウ素粒子凝集体）をスラリーに配合する以外は実施例１と同様にして、絶縁テープを作製した。この絶縁テープを用いてテスト用絶縁コイルを作製しようとしたところ、巻回する際にマイカ層の破損が起こった。

表２の結果から分かるように、実施例１〜１４の絶縁コイルは、優れた熱伝導性と耐電圧特性とを有している。これに対し、比較例１、２、４、５及び７の絶縁コイルはいずれも、熱伝導率が低かった。また、比較例３、６及び８では絶縁テープを巻回する際にマイカ層の破損が起こった。

１ コイル導体、２ マイカ層シート、３ 補強材、４ 絶縁テープ、５ 絶縁層、６ 補強基材、７ 凝集無機充填剤、８ 樹脂。

Claims (3)

1. コイル導体と、マイカ層シートを補強材にバインダ樹脂で接着させた絶縁テープを該コイル導体に巻回し熱硬化性樹脂を含浸して硬化した絶縁層とを備える絶縁コイルであって、該補強材が、１５μｍ以上７０μｍ以下の平均二次粒子径を有する凝集無機充填剤を、該絶縁層中の樹脂成分に対して８重量％以上７０重量％以下の量で含有することを特徴とする絶縁コイル。
2. 前記補強材が、１０μｍ以下の平均一次粒子径を有する補助無機充填剤を更に含有することを特徴とする請求項１に記載の絶縁コイル。
3. 前記補強材に含有される前記凝集無機充填剤と前記補助無機充填剤との総量が、前記絶縁層中の樹脂成分に対して２０重量％以上７０重量％以下であることを特徴とする請求項２に記載の絶縁コイル。

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