JP2009212034A

JP2009212034A - 耐部分放電性エナメル線用塗料及び耐部分放電性エナメル線

Info

Publication number: JP2009212034A
Application number: JP2008056078A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Kikuchi; 英行菊池; Yuji Takano; 雄二高野; Yuki Honda; 祐樹本田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Magnet Wire Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Magnet Wire Ltd
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-17
Also published as: CN101525517A; US20090226720A1; CN101525517B

Abstract

【課題】低誘電率化による部分放電開始電圧の向上と無機材料の充填による部分放電侵食抑制効果を同時に達成させ、優れた課電寿命特性を有する耐部分放電性エナメル線用塗料及び耐部分放電性エナメル線を提供する。
【解決手段】金属酸化物微粒子あるいはケイ素酸化物微粒子からなる無機微粒子を含むオルガノゾルから選ばれる少なくとも１種をエナメル線用塗料中へ分散させて得られる耐部分放電性エナメル線用塗料において、前記無機微粒子は、内部に中空あるいは多孔質を有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐部分放電性エナメル線用塗料及び耐部分放電性エナメル線に関するものである。

部分放電は電線・ケーブルなどの絶縁体中あるいは線間に微小な空隙があるとその部分に電界が集中し、微弱な放電が発生するものである。部分放電が発生すると絶縁体が劣化され、絶縁破壊に至る。

主に、モータやトランスなどのコイルに用いられる巻線、特に導体上に樹脂塗料を塗布焼付けして絶縁皮膜を形成するエナメル線においては、部分放電は主に線間（皮膜−皮膜間）あるいは対地間（皮膜−コア間）で発生し、荷電粒子の衝突による樹脂皮膜の分子鎖間あるいは対地間（皮膜−コア間）で発生し、荷電粒子の衝突による樹脂皮膜の分子鎖切断、発熱などが主体となって皮膜の侵食を進行し、絶縁破壊に至る。

また、近年、省エネ、可変速のために用いるインバータのモータなどを駆動させるシステムにおいて、インバータサージ（急峻な過電圧）が発生し、絶縁破壊を起こすケースが多くなっている。この絶縁破壊もインバータサージによる過電圧が部分放電を引き起こし絶縁破壊に至ることが判っている。

モータやトランスなどのコイルに用いられるエナメル線の課電寿命を向上させるべく、無機材料を充填させた樹脂塗料を用いて絶縁皮膜を形成することにより、部分放電による絶縁皮膜の侵食を抑制する方法などがある。

例えば、有機溶剤に溶解した耐熱性樹脂液中にシリカやチタニアなどの無機絶縁粒子を分散させた樹脂塗料により絶縁皮膜を形成したエナメル線が知られている。かかる無機絶縁粒子はエナメル線に耐部分放電性を付与するほか、熱伝導度の向上、熱膨張の低減、強度の向上に寄与する。

無機絶縁粒子のうち、シリカの微粒子を樹脂溶液に分散させる方法として、シリカ粒子の粉末を樹脂溶液に添加分散する方法や樹脂溶液とオルガノシリカゾルを混合する方法などが知られている（例えば特許文献１、２参照）。シリカ粒子の粉末を添加した場合と比べ、オルガノシリカゾルを用いると、混合が容易でシリカが高度に分散した塗料が得られるとともに、可撓性、柔軟性、巻き付け性、伸張性等の特性の良いエナメル線が得られる。但し、この場合シリカゾルは樹脂溶液との相溶性が良いものであることが必要となる。

なお、無機絶縁粒子においては、例えば、空隙を有する微粉末や、分散媒中に均一に分散させた数十ナノメートルレベルの中空無機粒子ゾルなども知られている（特許文献３〜５参考）。

また、絶縁皮膜の誘電率を低下させることにより、線間の電界（線間に存在する空気層に加わる電界）を緩和させ、部分放電の発生自体を抑制する方法などがある。

特許第３４９６６３６号公報特開２００４−２０４１８７号公報特許第３７６１１８９号公報特開２００４−２０３６８３号公報特開２００１−２３３６１１号公報

無機材料を分散させた有機／無機ハイブリッド材料においては、無機材料の誘電率を低減することができれば、絶縁皮膜としての誘電率を低減することが可能となる。しかし、一般的に、無機材料の誘電率は有機材料より高く、低誘電率化は困難である。

また、低誘電率化は有機絶縁材料の樹脂構造に依存することから、耐熱性や機械的特性などに弊害をもたらす場合があり、エナメル線としての優れた諸特性を維持したまま、低誘電率化することは非常に困難である。

したがって、本発明の目的は、微粒子の内部が中空あるいは多孔質である無機微粒子オルガノゾルを均一にコロイド分散させた耐部分放電性エナメル線用塗料を用いて皮膜を形成した耐部分放電性絶縁皮膜を得ることにより、低誘電率化による部分放電開始電圧の向上と無機材料の充填による部分放電侵食抑制効果を同時に達成させ、優れた課電寿命特性を有する耐部分放電性エナメル線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は、金属酸化物微粒子あるいはケイ素酸化物微粒子からなる無機微粒子を含むオルガノゾルから選ばれる少なくとも１種をエナメル線用塗料中へ分散させて得られる耐部分放電性エナメル線用塗料において、前記無機微粒子は、内部に中空あるいは多孔質を有することを特徴とする耐部分放電性エナメル線用塗料を提供する。

前記無機微粒子は、微粒子内部の空隙部の体積が、微粒子全体の体積の１０％以上である耐部分放電性エナメル線用塗料を提供する。

前記無機微粒子は、前記エナメル線用塗料の樹脂分１００重量部に対して１〜１００重量部含有されている耐部分放電性エナメル線用塗料を提供する。

前記無機微粒子は、平均粒子径が１００ｎｍ（１００×１０^-9ｍ）以下である耐部分放電性エナメル線用塗料を提供する。

前記オルガノゾルは、前記エナメル線用塗料との相容性が優れた分散媒中に均一に分散された透明又は乳白色コロイド状である耐部分放電性エナメル線用塗料を提供する。

上記目的を達成するために本発明は、上記に記載の耐部分放電性エナメル線用塗料を、導体上に直接又は他の絶縁皮膜を介して塗布焼付して耐部分放電性エナメル皮膜を形成したことを特徴とする耐部分放電性エナメル線を提供する。

本発明の耐部分放電性エナメル線用塗料は、ゾル状のシリカの適用により均一分散性と透明性とが優れており、それにより、本発明の耐部分放電性エナメル線用塗料を導線上に塗布、焼き付けしたときには、優れた耐部分放電性を備える。また、エナメル線用塗料中への中空オルガノシリカゾルの分散量を所望の範囲とすることにより、外観、可撓性、絶縁破壊電圧等のエナメル線としての一般諸特性を良好な状態に維持しつつ、優れた耐伸張性、耐部分放電性、及び部分放電開始電圧を備える耐部分放電性エナメル線を得ることができる。更に、シリカゾルのシリカ粒子を中空にしたことにより、有機／無機複合材料の低誘電率化が図られ、部分放電開始電圧が向上したことにより、更に耐部分放電性を向上したエナメル線を得ることができる。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１〜３は本発明に係る耐部分放電性エナメル線用塗料を塗布した耐部分放電性エナメル線を示す断面図である。

図１は、導体１の直上に耐部分放電性エナメル線用塗料を塗布、焼付することにより、耐部分放電性エナメル皮膜２を形成したものである。

また、図２は、導体１の外周に、他の絶縁皮膜３を形成し、その絶縁皮膜３の上に耐部分放電性エナメル線用塗料を塗布、焼付することにより、耐部分放電性エナメル皮膜２を形成する。

図３は、導体１の外周に、他の絶縁皮膜３を形成し、その絶縁皮膜３の上に、本発明の耐部分放電性エナメル線用塗料を塗布、焼付することにより、耐部分放電性エナメル皮膜２を形成し、更にその上に、再び他の絶縁皮膜４を設けたものである。

絶縁皮膜３、４は、耐部分放電性或いは一般特性を阻害しないものであれば、特に限定されるものではなく、導体１直上の絶縁皮膜３と最上層の絶縁皮膜４の材質が異なっても良い。

また図示していないが、図１に示した導体１直上に耐部分放電性エナメル皮膜２を形成し、その上に他の絶縁皮膜３を形成しても良い。

次に、耐部分放電性エナメル皮膜２を形成する本発明の耐部分放電性エナメル線用塗料を説明する。

本発明の耐部分放電性エナメル線用塗料は、エナメル線用塗料中に、微粒子の内部が中空あるいは多孔質である無機微粒子を含むオルガノゾルから選ばれる少なくとも１種を分散させて成り、少なくとも１種の中空あるいは多孔質を有する無機微粒子が、エナメル線用塗料の樹脂分１００重量部（質量部）に対して１〜１００重量部（質量部）含有されていることを特徴とするものである。

また、本発明の耐部分放電性エナメル線は、導体上に直接又は他の絶縁層を介して、上記耐部分放電性エナメル線用塗料を塗布焼付して成るものである。更にその上に有機絶縁層を形成したものであっても良い。

本発明において中空あるいは多孔質を有する無機微粒子の分散量は、エナメル線用塗料の樹脂分１００重量部（質量部）に対して１〜１００重量部（質量部）の範囲であり、望ましくは５〜５０重量部（質量部）の範囲である。１重量部未満では部分放電劣化を改善する効果及び低誘電率化の効果が不十分であり、１２０重量部を越えると可撓性や耐伸張性が悪化することになる。

本発明は、中空あるいは多孔質を有する無機微粒子をエナメル線用塗料との相容性が優れた分散媒中に含有させた透明又は乳白色コロイド状（ゾル）にして、エナメル線用塗料中に分散させる点に特徴がある。

この場合、中空あるいは多孔質を有する無機微粒子は平均粒子径１００ｎｍ（１００×１０^-9ｍ）以下のものを使用すると、２次凝集を起こさず均一な分散状態を得られ、エナメル塗膜の平滑性や可撓性、あるいはエナメル線用塗料の安定性を実現する上で好ましい。

なお、平均粒子径は、レーザ回折法などによって得られる粒子分布から求められるラジアン径で表したものである。

本発明の中空あるいは多孔質を有する無機微粒子は、中空あるいは多孔質によって形成される空隙部の体積が、微粒子全体の体積の１０％以上であり、望ましくは２０〜６０％である。１０％末満では部分放電劣化を改善する効果及び低誘電率化の効果が不十分である。上限については特に制約はないが、空隙部体積は大きいほど誘電率が低下し、効果は大きく望ましいが、理論上１００％未満となり、１００％に近いほど、微粒子のシェル（外殻）厚が薄くなることから、形状を維持できなくなるため、中空あるいは多孔質の無機微粒子形状を維持できる範囲内に留まることになる。

本発明の導体としては、銅線、アルミ線、銀線、ニッケル線等があり、丸型、平型等の形状を有する。

本発明において、耐部分放電性エナメル線用塗料のベースとなるエナメル線用塗料としては工業的に用いられているものならよく、例えばホルマールエナメル線用塗料、ポリエステルエナメル線用塗料、ポリエステルイミドエナメル線用塗料、ポリアミドイミドエナメル線用塗料、ポリイミドエナメル線用塗料等がある。

その他、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニルエーテルサルホン、ポリエーテルイミドなどの非晶質性のエンジニアリングプラスチックを溶媒に溶解させて樹脂塗料としたエナメル線用塗料、あるいは市販されているシラン変性したハイブリッド材料（例えば、荒川化学工業（株）のコンポセランなど）からなる樹脂塗料等をエナメル線用塗料に適用可能である。

本発明において内部が中空あるいは多孔質である無機微粒子を含むオルガノゾルとしてはゾル状になっていて、且つエナメル線用塗料中への分散性がよく、しかも耐部分放電性を改良でき、また低誘電率化が図れるものならよく、無機微粒子の材質はシリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、イットリア等の金属酸化物あるいはケイ素酸化物があり材質に特に限定はないが、工業生産性、コスト、誘電率が低いことなどの観点から、シリカが望ましい。

また、これらのオルガノゾルの分散媒にも特に限定はなく、エナメル線用塗料中への相溶性の良い溶媒に置換したものが良い。この具体的な分散媒としてはフェノール類あるいはベンジルアルコールと芳香族アルキルベンゼンを主体とした混合溶媒、キシレンあるいはトルエンを主体とした低級アルコールとの混合溶媒等が挙げられ、これらの分散媒は、クレゾール系溶媒を用いるエナメル線用樹脂塗料、すなわちポリエステル系エナメル線用塗料などに対し、相性が良く、また、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトンやシクロヘキサノンあるいはこれらの混合溶媒等からなる分散媒は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン系溶媒を主に用いるエナメル線用塗料、すなわちポリアミドイミド系やポリイミド系エナメル線用塗料などに対し、相性が良い。その他メタノール、メチルエチルイソブチルケトン等がある。

下記実施例１〜７及び比較例１〜５で得られた耐部分放電性エナメル線用塗料を０．８ｍｍの銅導体上に塗布、焼付し、皮膜厚３０ｎｍの耐部分放電性エナメル皮膜を有する耐部分放電性エナメル線を得た。

（実施例１）
トリス−２（ヒドロキシエチルイソシアヌレート）変性ポリエステルイミドエナメル線用塗料中へ、その樹脂分１００重量部（質量部）に対して、中空オルガノシリカゾル（ベンジルアルコール／ナフサ系混合分散媒、シリカの平均粒径２３ｎｍ、中空体積率３０％）をそのシリカ分が２０重量部（質量部）となるように分散させることにより、耐部分放電性ポリエステルイミドエナメル線用塗料を得た。

（実施例２）
トリス−２（ヒドロキシエチルイソシアヌレート）変性ポリエステルイミドエナメル線用塗料中へ、その樹脂分１００重量部に対して、中空オルガノシリカゾル（ベンジルアルコール／ナフサ系混合分散媒、シリカの平均粒径４５ｎｍ、中空体積率３５％）をそのシリカ分が５０重量部となるように分散させることにより、耐部分放電性ボリエステルイミドエナメル線用塗料を得た。

（実施例３）
ポリアミドイミドエナメル線用塗料中へ、その樹脂分１００重量部に対して、中空オルガノシリカゾル（γ−ブチロラクトン分散媒、シリカの平均粒径２３ｎｍ、中空体積率３０％）をそのシリカ分が２０重量部となるように分散させることにより、耐部分放電性ポリアミドイミドエナメル線用塗料を得た。

（実施例４）
ポリアミドイミドエナメル線用塗料中へ、その樹脂分１００重量部に対して、中空オルガノチタニアゾル（γ−ブチロラクトン分散媒、チタニアの平均粒径６０ｎｍ、中空体積率４０％）をそのシリカ分が５０重量部となるように分散させることにより、耐部分放電性ポリアミドイミドエナメル線用塗料を得た。

（実施例５）
ポリイミドエナメル線用塗料中へその樹脂分１００重量部に対して、中空オルガノシリカゾル（γ−ブチロラクトン分散媒、シリカの平均粒径２３ｎｍ、中空体積率３０％）をそのシリカ分が２０重量部となるように分散させることにより、耐部分放電性ポリイミドエナメル線用塗料を得た。

（実施例６）
次に、実施例１の耐部分放電性エナメル線用塗料を、導体径０．８ｍの銅線上に、塗布、焼付し、皮膜厚さが３０μｍの耐部分放電性エナメル皮膜を形成した後、更に、その耐部分放電性エナメル皮膜の上に、滑性ポリアミドイミドエナメル線用塗料（日立化成工業のＨＩ−４０６ＳＬ）を塗布、焼付して皮膜厚さが３μｍとなるように絶縁皮膜を被覆し、滑性耐部分放電性エナメル線を得た。

（実施例７）
トリス−２（ヒドロキシエチルイソシアヌレート）変性ポリエステルイミドエナメル線用塗料中へその樹脂分１００重量部に対して、中空オルガノシリカゾル（ベンジルアルコール／ナフサ系混合分散媒、シリカの平均粒径２３ｎｍ、中空体積率３０％）をそのシリカ分が１２０重量部となるように分散させることにより、耐部分放電性ポリエステルイミドエナメル線用塗料を得た。

（比較例１）
トリス−２（ヒドロキシエチルイソシアヌレート）変性ポリエステルイミドエナメル線用塗料中へその樹脂分１００重量部に対して、中空シリカ粉末（シリカの平均粒径２００ｎｍ、中空体積率４０％）を５０重量部となるように分散させることにより、耐部分放電性ポリエステルイミドエナメル線用塗料を得た。

（比較例２）
トリス−２（ヒドロキシエチルイソシアヌレート）変性ポリエステルイミドエナメル線用塗料中へその樹脂分１００重量部に対して、オルガノシリカゾル（ベンジルアルコール／ナフサ系混合分散媒、シリカの平均粒径２３ｎｍ）をそのシリカ分が２０重量部となるように分散させることにより、耐部分放電性ポリエステルイミドエナメル線用塗料を得た。

（比較例３）
ポリアミドイミドエナメル線用塗料中へその樹脂分１００重量部に対して、オルガノシリカゾル（γ−ブチロラクトン分散媒、シリカの平均粒径２３ｎｍ）をそのシリカ分が２０重量部となるように分散させることにより、耐部分放電性ポリアミドイミドエナメル線用塗料を得た。

（比較例４）
トリス−２（ヒドロキシエチルイソシアヌレート）変性ポリエステルイミドエナメル線用塗料を用いて導体径０．８ｍｍのポリエステルイミドエナメル線を得た。

（比較例５）
ポリアミドイミドエナメル線用塗料を用いて導体径０．８ｍｍのポリアミドイミドエナメル線を得た。

実施例及び比較例における性状、得られたエナメル線の特性等については表１に示す。

エナメル線の一般特性試験はＪＩＳ−Ｃ３００３に準じて行った。

耐部分放電性は、供試エナメル線をそのままの常態のＶ−ｔ特性試験（電圧−部分放電寿命時間特性試験）、２０％伸張してからのＶ−ｔ特性試験（電圧−部分放電寿命時間特性試験）により評価した。

なお、表１では、トリス−２（ヒドロキシエチルイソシアヌレート）はＴＨＥＩＣと略して記載した。

表１から分かるように、中空オルガノシリカゾルを分散させたエナメル線用塗料を導体上に塗布、焼付して得られた耐部分放電性エナメル線では（実施例１〜７）、比較例と比べて部分放電開始電圧が高く、常態におけるＶ−ｔ特性も非常に優れていることがわかる。

また、エナメル線用塗料中へその樹脂分１００重量部に対して、中空オルガノシリカゾルをそのシリカ分が１〜１００重量部（好ましくは２０〜５０重量部）となるように分散させたエナメル線用塗料を用いることにより、外観、可撓性、絶縁破壊電圧等のエナメル線としての一般諸特性を良好な状態に維持しつつ、優れた耐伸張性と耐部分放電劣化性、及び中空の効果で誘電率が低減され、部分放電開始電圧も向上している。

中空シリカの微粉末を直接混合した比較例１の耐部分放電性エナメル線は、常態及び伸張後の耐部分放電寿命が極めて悪く、可撓性も悪い。これは２次凝集を起こし分散状態が悪いためと推測される。

中空でない（中実の）シリカゾルを実施例１及び３と同量混合した比較例２及び３は部分放電開始電圧が実施例１及び３よりも約６０〜７０Ｖ低下し、その結果として耐部分放電寿命が短くなっている。

また、無機微粒子が混合されていない比較例４及び５では、部分放電開始電圧が低く、また無機粒子が充填されていないため耐部分放電寿命が０．５８〜０．７０時間と極めて悪い。

本発明が適用される耐部分放電性エナメル線の断面図である。本発明が適用される耐部分放電性エナメル線の他の実施の形態を示す断面図である。本発明が適用される耐部分放電性エナメル線のさらに他の実施の形態を示す断面図である。

符号の説明

１導体
２耐部分放電性エナメル皮膜
３、４絶縁被膜

Claims

金属酸化物微粒子あるいはケイ素酸化物微粒子からなる無機微粒子を含むオルガノゾルから選ばれる少なくとも１種をエナメル線用塗料中へ分散させて得られる耐部分放電性エナメル線用塗料において、前記無機微粒子は、内部に中空あるいは多孔質を有することを特徴とする耐部分放電性エナメル線用塗料。
前記無機微粒子は、微粒子内部の空隙部の体積が、微粒子全体の体積の１０％以上である請求項１に記載の耐部分放電性エナメル線用塗料。
前記無機微粒子は、前記エナメル線用塗料の樹脂分１００重量部に対して１〜１００重量部含有されている請求項１又は２に記載の耐部分放電性エナメル線用塗料。
前記無機微粒子は、平均粒子径が１００ｎｍ（１００×１０^-9ｍ）以下である請求項１〜３のいずれかに記載の耐部分放電性エナメル線用塗料。
前記オルガノゾルは、前記エナメル線用塗料との相容性が優れた分散媒中に均一に分散された透明又は乳白色コロイド状である請求項１〜４のいずれかに記載の耐部分放電性エナメル線用塗料。
請求項１〜５のいずれかに記載の耐部分放電性エナメル線用塗料を、導体上に直接又は他の絶縁皮膜を介して塗布焼付して耐部分放電性エナメル皮膜を形成したことを特徴とする耐部分放電性エナメル線。