JP2012113836A - 絶縁被覆導線および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂皮膜の誘電率を十分に低減させることができ、樹脂皮膜の膜厚を増加させることなく、ＰＤＩＶを高めて部分放電の発生を防止することが可能な絶縁被覆導線および当該絶縁被覆導線を巻線コイルの巻線に用いた回転電機を提供することである。
【解決手段】絶縁被覆導線１０は、導線１１と、導線１１の表面を被覆する多孔質樹脂皮膜１２と、を備える。また、多孔質樹脂皮膜１２には、多数のボイド１３が均一に分散しており、最大ボイド径は、ボイド１３にかかる電圧であるボイド電圧とボイド径との関係を示すボイド電圧特性線と、パッシェンカーブとが交差する点に対応する臨界ボイド径ｄｃ未満であることを特徴とする
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁被覆導線および回転電機に関し、より詳しくは、導線と導線表面を被覆する樹脂皮膜とを備える絶縁被覆導線および当該絶縁被覆導線を巻線コイルの巻線に用いた回転電機に関する。

巻線コイルの巻線には、導線の表面にフッ素系樹脂（例えば、ポリテトラフロオロエチレン）等の樹脂皮膜が設けられた絶縁被覆導線（エナメル線とも称される）が用いられる。絶縁被覆導線を巻線として用いた巻線コイルにおいて、樹脂皮膜中又は巻線間に微小な空隙が存在すると、その空隙で部分放電が発生して樹脂皮膜が劣化し、最終的に絶縁崩壊に至る場合がある。
部分放電の発生を防止して絶縁性能を高めるために、樹脂皮膜の膜厚を増加させることが考えられるが、膜厚を増加させるとコイルの線積率が低下して回転電機のトルク効率が悪化するという問題がある。

そこで、樹脂皮膜の膜厚を増加させることなく部分放電の発生を防止する手段が求められており、その有力な手段として、樹脂皮膜の誘電率を下げることが考えられる。樹脂皮膜の誘電率を下げると、ダーキン式（式１）に示すように、ＰＤＩＶ（Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｉｎｃｅｐｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ；以下、ＰＤＩＶとする）を高くすることができ、部分放電の発生を防止することが可能になる。
（式１）ＰＤＩＶ（ｐｅａｋ）＝１６２×（ｔ／ε）^0.46×√２
ｔ；樹脂皮膜の厚み
ε；樹脂皮膜の誘電率

本発明に関連する技術として、内部に中空あるいは多孔質を有す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が特許文献１に開示されている。

特開２００９‐２１２０３４号公報

上記特許文献１に開示された耐部分放電性エナメル線用塗料によれば、中空あるいは多孔質を有する無機微粒子を塗料中に分散しておくことで、エナメル塗膜中に中空あるいは多孔質構造を導入することができる。しかしながら、特許文献１の塗料を用いた場合には、エナメル塗膜中に有機材料よりも誘電率の高い無機材料からなる微粒子が含まれることになるので、エナメル塗膜の誘電率を十分に低減することができない。

本発明の目的は、樹脂皮膜の誘電率を十分に低減させることができ、樹脂皮膜の膜厚を増加させることなく、ＰＤＩＶを高めて部分放電の発生を防止することが可能な絶縁被覆導線および当該絶縁被覆導線を巻線コイルの巻線に用いた回転電機を提供することである。

本発明に係る絶縁被覆導線は、導線と、導線表面を被覆して設けられ、ボイドを含む多孔質樹脂皮膜と、を備え、最大ボイド径は、ボイドにかかる電圧であるボイド電圧とボイド径との関係を示すボイド電圧特性線と、パッシェンカーブとが交差する点に対応する臨界ボイド径未満であることを特徴とする。
当該構成によれば、樹脂皮膜がボイドを含む多孔質構造であるため、樹脂皮膜の誘電率を大幅に低減させることができる。したがって、樹脂皮膜の膜厚を増加させることなく、ＰＤＩＶを高めて部分放電の発生を防止することができる。また、寄生容量を低減することもでき、絶縁性能を高めることができる。そして、最大ボイド径は、ボイドにかかる電圧であるボイド電圧とボイド径との関係を示すボイド電圧特性線と、パッシェンカーブとが交差する点に対応する臨界ボイド径未満である、つまりボイド電圧がパッシェンの火花電圧未満となるように最大ボイド径が設定されるため、多孔質構造を形成するボイドに起因して部分放電が発生することがない。

本発明に係る回転電機は、巻線コイルを備えた回転電機において、巻線コイルの巻線は、導線と、導線表面を被覆して設けられ、ボイドを含む多孔質樹脂皮膜と、を備えた絶縁被覆導線であって、最大ボイド径は、ボイドにかかる電圧であるボイド電圧とボイド径との関係を示すボイド電圧特性線と、パッシェンカーブとが交差する点に対応する臨界ボイド径未満であることを特徴とする。
当該構成によれば、樹脂皮膜の膜厚を増加させることなく、樹脂皮膜の誘電率を大幅に低減して絶縁性能を高めた絶縁被覆導線を巻線コイルの巻線に用いるので、巻線コイルの線積率を維持してトルク効率を確保しながら、ＰＤＩＶを高めて部分放電の発生を防止することができる。

本発明に係る絶縁被覆導線によれば、樹脂皮膜の誘電率を十分に低減させることができ、樹脂皮膜の膜厚を増加させることなく、ＰＤＩＶを高めて部分放電の発生を防止することが可能である。
また、本発明に係る回転電機によれば、巻線コイルの線積率を維持してトルク効率を確保しながら、ＰＤＩＶを高めて部分放電の発生を防止することができる。

本発明の実施形態である絶縁被覆導線の断面を示す図である。 本発明の実施形態である絶縁被覆導線において、ボイド電圧とボイド径との関係を示すボイド電圧特性線である。 パッシェンカーブを示す図である。 パッシェンカーブにボイド電圧特性線を重ねた図である。

図面を用いて、本発明の実施形態につき、以下詳細に説明する。
なお、以下では、本発明の実施形態である絶縁被覆導線１０の使用形態として、ＨＶ車両駆動用モータの巻線コイルの巻線を例示するが、本発明の絶縁被覆導線の用途はこれに限定されない。

図示しない回転電機としては、例えば、三相モータが例示できる。三相モータは、円筒状のステータと、ステータの中心に配置されたロータと、を備えている。ステータは、複数の電磁鋼板を積層して形成されたステータコアと、ステータコアに巻回されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する巻線コイルとを有する。そして、巻線コイルの巻線には、以下に詳述する絶縁被覆導線１０が用いられる。

図１は、絶縁被覆導線１０の断面を示す図である。
図１に示すように、絶縁被覆導線１０は、導線１１と、導線１１の表面を被覆する多孔質樹脂皮膜１２と、を備える。多孔質樹脂皮膜１２は、導線１１の軸方向に沿って、その外周面に隙間なく密着している。また、多孔質樹脂皮膜１２には、多数のボイド１３が均一に分散している。

導線１１は、電気伝導性を有する線状部材であって、例えば、銅線、アルミ線、銀線、ニッケル線等が例示できる。なお、巻線コイルの巻線用途では、一般的に、銅線が用いられる。また、図１に例示する導線１１の形態は、断面形状が矩形形状の平型導線であるが、導線１１の形状としてはこれに限定されず丸型であってもよい。

多孔質樹脂皮膜１２は、導線１１の表面を被覆して短絡を防止するための皮膜であって、多孔質構造の絶縁樹脂、即ち多数のボイド１３を含む絶縁樹脂から構成される皮膜である。多孔質樹脂皮膜１２は、導線１１の表面に絶縁樹脂を含むワニスを塗布し焼き付けた後、後述のボイド１３を形成することで得られる。

多孔質樹脂皮膜１２を構成する絶縁樹脂は、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、およびポリフェニルスルフィド（ＰＰＳ）等が好適な樹脂として例示できる。特に、導線１１との密着性や耐熱性等の観点から、ＰＡＩ、ＰＩが好ましい。なお、各絶縁樹脂の誘電率は、一般的に、ＰＴＦＥが２．０、ＰＡＩが４．０、ＰＩが３．４、ＰＰＳが４．６である。

ボイド１３は、多孔質樹脂皮膜１２中に含まれる空孔である。ボイド１３は、例えば、
導線１１の表面に形成された上記絶縁樹脂の皮膜に超臨界状態又は亜臨界状態の流体を含侵させた後、圧力を急減して流体をガス化させる方法、上記絶縁樹脂の皮膜中にミクロ相分離構造を形成し、溶剤や超臨界流体、熱分解等により選択的に一部の相を除去する方法、発泡剤を使用する方法、溶剤除去等が可能な界面活性剤ミセルや微粒子を鋳型として使用する方法等によって、上記絶縁樹脂中に直接形成することができる。つまり、ボイド１３は、その周囲を絶縁樹脂に囲まれており、ボイド１３と絶縁樹脂との界面に誘電率の高い無機材料等が存在しない。
なお、上記超臨界状態又は亜臨界状態の流体としては、超臨界二酸化炭素が好適である。また、ミクロ相分離構造としては、例えば、一部のセグメントが溶剤等で選択的に溶解除去可能なブロック共重合体を用いることができる。

ボイド１３の形態としては、後述するボイド径の制限の観点から、隣接するボイド１３が互いに連通した連続気泡形態よりも、各ボイド１３がつながることなく独立に存在する独立気泡形態であることが好ましい。また、個々のボイド１３の形状は、通常、球状又は球状に近い形状であるが、凹凸のある異形形状であってもよい。

また、ボイド１３の含有率は、多孔質樹脂皮膜１２の誘電率を十分に低減するために、多孔質樹脂皮膜１２の機械的強度等に問題のない範囲で高い方が好ましい。つまり、ボイド１３の誘電率は１．０として多孔質樹脂皮膜１２の誘電率を算出することができるので、ボイド１３の含有率を増加させるほど、多孔質樹脂皮膜１２の誘電率を低減することができる。

また、ボイド１３は、その最大ボイド径が、ボイド電圧とボイド径との関係を示すボイド電圧特性線（図２参照）と、パッシェンカーブ（図３参照）とが交差する点に対応する臨界ボイド径ｄｃ（図４参照）未満である。以下、図２〜４を用いて、ボイド径について詳説する。

上記ボイド電圧とは、導線１１に電圧を印加したとき、即ち導線１１に電流を流したときに、ボイド１３にかかる電圧である。
図２に、ボイド電圧（縦軸）とボイド径（横軸）との関係であるボイド電圧特性線を示す。図２に示すように、ボイド電圧は、ボイド径に応じて電圧レベルが変化し、ボイド径に比例して大きくなる。
図２のボイド電圧特性線は、電界強度とボイド径に基づき、電界解析結果に従って得られたものである。ここで、電界強度とは、導線１１に印加される電圧レベルを意味する。なお、電界強度が増加すると、ボイド電圧特性線の傾きも大きくなる。

上記パッシェンカーブとは、電極間距離（ｄ）と電極間に充填されるガスの圧力（ｐ）との積であるｐｄ値（ｍｍ＊ｍｍＨｇ）を横軸とし、平行な電極間で火花放電が生じる電圧である火花電圧（Ｖ）を縦軸として、ｐｄ値と火花放電（パッシェンの火花電圧）との関係を示す曲線である。
図３に、充填ガスが空気で、大気圧（７６０ｍｍＨｇ）の条件におけるパッシェンカーブを示す。図３のパッシェンカーブは、最も火花放電が起こり易いピーク値（最低火花電圧）を示し、当該最低火花電圧を示すｐｄ値から離れるほど、特にｐｄ値が小さくなる、つまり電極間距離が小さくなるほど火花電圧が大きくなり、火花放電が発生し難くなることを示している。

図４に、図３のパッシェンカーブに図２の電圧特性線を重ねた図を示す。なお、ボイド径（μｍ）＝ｐｄ値（ｍｍ＊ｍｍＨｇ）×（１０００／７６０）で換算できる。
図４に示すように、ボイド電圧特性線とパッシェンカーブとが交差する交差点が存在し、この交差点のｐｄ値に対応するボイド径である臨界ボイド径ｄｃ未満となるように、つまりボイド電圧がパッシェンの火花電圧未満となるように、最大ボイド径が設定される。なお、ボイド径は、断面電子顕微鏡観察（断面ＳＥＭ観察）や部分放電の観察等により測定することができる。

なお、導線１１に印加される電圧レベルが高くなるほど、ボイド電圧特性線の傾きが大きくなってボイド電圧特性線とパッシェンカーブとの交差点は低ｐｄ値側にシフトすることから、ボイド径をさらに小さくする必要がある。また、パッシェンカーブには、最低火花電圧が存在し、最低火花電圧を示すｐｄ値未満で火花電圧が特に大きくなることから、最大ボイド径は、最低火花電圧を示すｐｄ値に対応するボイド径未満であることが特に好ましい。

ここで、上記構成を備える絶縁被覆導線１０の作用効果について以下説明する。

第１に、絶縁被覆導線１０は、樹脂皮膜がボイド１３を含む多孔質構造の多孔質樹脂皮膜１２であるため、樹脂皮膜の誘電率を大幅に低減することができる。したがって、樹脂皮膜の膜厚を増加させることなく、ＰＤＩＶを高めて部分放電の発生を防止することができる。また、寄生容量を低減することもでき、絶縁性能を高めることができる。

第２に、第ボイド電圧とボイド径との関係を示すボイド電圧特性線と、パッシェンカーブとが交差する点に対応する臨界ボイド径未満であるため、多孔質構造を形成するボイド１３に起因して部分放電が発生することがない。つまり、部分放電は、樹脂皮膜中又は巻線間に存在する微小な空隙で発生するので、ボイド１３における部分放電の発生が懸念されるが、最大ボイド径が上記のように設定された多孔質樹脂皮膜１２によれば部分放電の発生を防止できる。

なお、絶縁被覆導線１０を巻線コイルの巻線に用いた回転電機は、巻線コイルの線積率を維持してトルク効率を確保しながら、ＰＤＩＶを高めて部分放電の発生を防止することができる。

１０ 絶縁被覆導線、１１ 導線、１２ 多孔質樹脂皮膜、１３ ボイド。

Claims (2)

1. 導線と、
   導線表面を被覆して設けられ、ボイドを含む多孔質樹脂皮膜と、
   を備え、
   最大ボイド径は、ボイドにかかる電圧であるボイド電圧とボイド径との関係を示すボイド電圧特性線と、パッシェンカーブとが交差する点に対応する臨界ボイド径未満であることを特徴とする絶縁被覆導線。
2. 巻線コイルを備えた回転電機において、
   巻線コイルの巻線は、導線と、導線表面を被覆して設けられ、ボイドを含む多孔質樹脂皮膜と、を備えた絶縁被覆導線であって、
   最大ボイド径は、ボイドにかかる電圧であるボイド電圧とボイド径との関係を示すボイド電圧特性線と、パッシェンカーブとが交差する点に対応する臨界ボイド径未満であることを特徴とする回転電機。