JP2012204270A - 絶縁電線 - Google Patents

Abstract

【課題】コイル作製後においても耐部分放電性能に優れた絶縁電線（エナメル線）を提供する。
【解決手段】絶縁電線１は、導体２と、導体２上に形成され、ベース樹脂塗料中に無機微粒子が分散されている絶縁塗料で形成された耐部分放電性層４と、導体２と耐部分放電性層４との間に形成され、ベース樹脂塗料に密着性向上剤が添加された絶縁塗料で形成された密着層３とを有する。密着層３は、無伸長の密着層３と導体２との密着強度に対して、２０％伸長してからの密着層３と導体２との密着強度の低下率が２５％未満となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁電線に関するものである。

インバータは、効率的な可変速電圧制御装置として、多くの電気機器で利用されている。この種のインバータは、数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの高速スイッチング素子によって制御され、電圧印加の際には高圧のサージ電圧が発生する。近年のインバータは特に、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの高速スイッチング素子により急峻な電圧の立ち上げが可能となり、それによってサージ電圧は出力電圧に対して最大で２倍の瞬間的な電圧を発生する。

このインバータを利用した電気機器のコイルを成形する材料としては、導体上に絶縁皮膜（エナメル皮膜）が設けられたエナメル線が一般に使用されている。しかしながら、サージ電圧の影響によりコイル成形されたエナメル線同士の表面には部分放電が発生し、エナメル皮膜を侵食させてしまうという現象が起こる。部分放電によるエナメル皮膜の侵食は、最終的に絶縁破壊を引き起こす。

このサージ電圧の影響についての対策としては、例えば特許文献１及び２で開示されているような耐部分放電性絶縁電線（耐インバータサージエナメル線）の適用が望ましい。

従来の耐インバータサージエナメル線は、導体の周囲に、ベースエナメル線用樹脂となるポリアミドイミド塗料やポリエステルイミド塗料等に粒径が０．１μｍ以下の無機粉末粒子（シリカ、チタニア、アルミナ、ジルコニアなど）を分散させた有機／無機ナノコンポジット材料を塗布、焼付けして形成されたエナメル皮膜を有している。このエナメル皮膜の周囲には、機械的強度などを付与するためのオーバーコート皮膜が形成されている。

このようなエナメル皮膜を用いることにより、部分放電によるエナメル皮膜の侵食を防ぐことが可能になる。なお、ナノコンポジットとは、分散した０．１μｍ以下の無機粉末粒子を別の材料に混ぜ込んだ複合材料である。

特開２０００−３３１５３９号公報 特開２００４−２０４１８７号公報

最近のモータなどの電気機器は、従来よりも高電圧であり、かつ、高速スイッチングなどの仕様が主流になってきた。電気機器に組み込まれるコイルを作製するコイル作製工程においては、エナメル線をステータコアに巻きつけてコイルを作製する方法の他、エナメル線自体に屈曲や捩りなどを加えた状態でコイルを作製するような劣悪な条件で、エナメル線を使用することが多くなってきている。

このような劣悪な条件でのエナメル線の使用によって、エナメル線の絶縁皮膜に伸張、摩耗、屈曲などの従来よりも大きいストレスが加わることになり、そのためにコイル作製後において、絶縁被覆に亀裂が発生したり導体から絶縁皮膜が浮いてしまう（皮膜浮き）といった不具合が発生し易い。このようなコイル作製後における絶縁被覆の亀裂の発生や、皮膜浮きの発生によって、部分放電に対する耐性（耐部分放電性）がコイル作製前よりも低下してしまうことが懸念される。

そこで、本発明の目的は、コイル作製後においても耐部分放電性能に優れた絶縁電線（エナメル線）を提供することにある。

本件発明者等は、密着強度と耐部分放電性の向上について熱意検討を行った結果、本件請求項１に係る発明によって効果的に達成することができることを見いだした。

即ち、請求項１に係る発明は、導体と、前記導体上に形成され、ベース樹脂塗料中に無機微粒子が分散されている絶縁塗料で形成された耐部分放電性層と、前記導体と前記耐部分放電性層との間に形成され、前記ベース樹脂塗料に密着性向上剤が添加された絶縁塗料で形成された密着層とを有し、前記密着層は、無伸長時における前記導体との密着強度に対して、２０％伸長してからの前記導体との密着強度の低下率が２５％未満であることを特徴とする絶縁電線にある。

前記密着層は、前記ベース樹脂塗料が分子鎖中にイソシアヌレート環を有するポリエステルイミド樹脂、あるいは前記ベース樹脂塗料がポリイミド樹脂からなることが好適である。

前記耐部分放電性層の上に、強靭性ポリアミドイミド層が形成されていることが好適であり、前記強靭性ポリアミドイミド層の上に、滑性ポリアミドイミド層が形成されていることが好適である。

本発明によれば、コイル作製後においても耐部分放電性能に優れた絶縁電線（エナメル線）が得られる。

本発明の典型的な実施の形態であるエナメル線を模式的に示す横断面図である。

［実施の形態の要約］
本発明の実施の形態に係る絶縁電線は、導体と、前記導体上に形成され、ベース樹脂塗料中に無機微粒子が分散されている絶縁塗料で形成された耐部分放電性層と、前記導体と前記耐部分放電性層との間に形成され、前記ベース樹脂塗料に密着性向上剤が添加された絶縁塗料で形成された密着層とを有する絶縁電線において、前記密着層は、無伸長時における前記導体との密着強度に対して、２０％伸長してからの前記導体との密着強度の低下率が２５％未満であることを特徴とする。

密着層は、耐インバータサージ性能を有する耐部分放電性層を導体に密着させる。密着層として、無伸長時における導体との密着強度に対して、２０％伸長してからの導体との密着強度の低下率が２５％未満のものを用いることにより、高い密着強度が得られる。

［実施の形態］
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。

（絶縁電線の全体構成）
図１において、全体を示す符号１は絶縁電線を示している。この絶縁電線１は、導体２と、導体２の外周にエナメル塗料を繰り返し塗布・焼き付けしてなるエナメル線からなり、導体２の外周に形成された密着層３と、その密着層３の外周に形成された耐インバータサージ性樹脂層による耐部分放電性層４とを有している。導体２としては、例えば銅線、アルミ線、銀線、ニッケル線等がある。

この絶縁電線１は、密着層３及び耐部分放電性層４からなる絶縁皮膜以外に、必要に応じて、耐部分放電性層４の外周に強靭性エナメル線用塗装膜からなる強靭性層を形成するとともに、強靭性層の外周に滑性樹脂エナメル線用塗装膜からなる滑性層を絶縁皮膜として形成している。

この強靭性層は、可とう性の向上、耐熱性の向上、あるいは耐部分放電性層４の吸湿防止のための中間層であり、例えばポリアミドイミド樹脂などからなるエナメル線用ベース樹脂塗料を塗布し、焼付けして得られる。一方の滑性層は、ポリアミドイミド樹脂からなる樹脂塗料に滑剤が添加されてなる滑性ポリアミドイミド塗料を塗布し、焼き付けして得られる最外層となる滑性ポリアミドイミドオーバーコート層である。なお、耐部分放電性層４のベース樹脂にポリアミドイミド樹脂を適用した場合は、密着性等の低下防止を考慮して、耐部分放電性層４の外周に形成する中間層もポリアミドイミド樹脂からなることが望ましい。

（密着層の構成）
この実施の形態に係る絶縁電線１の基本の構成は、最下層を構成する密着層３にある。この密着層３は、エナメル線用ベース樹脂からなる。このエナメル線用ベース樹脂としては、例えばポリエステルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又はポリイミド樹脂などが挙げられる。

この絶縁電線１としては、過度の巻付けストレスに耐え得るように、導体２と耐部分放電性層４との間の密着性を向上させることが望ましい。導体２と耐部分放電性層４との間に形成された密着層３として、密着性向上剤が配合されたエナメル（樹脂）塗料を適用する場合は、この塗料を導体２と耐部分放電性層４との間に塗布し、焼付けすることで、密着層３を構成するエナメル皮膜が形成される。

この密着層３としては、無伸長状態のエナメル線における密着層３と導体２との間の密着強度に対して、２０％伸長してからの密着層３と導体２との間の密着強度の低下率が２５％未満であることが好適である。この密着層３と導体２との密着強度の低下率が２５％以上であると、絶縁皮膜の皮膜浮きが発生し、耐部分放電性を低下させるので好ましくない。

このときの密着層３の厚さは、密着層３と耐部分放電性層４とにより形成された絶縁皮膜の合計厚さに対して、１０〜３５％の範囲内であることが好適である。この密着層３の厚さが、絶縁皮膜全体の厚さの１０％未満であると、絶縁皮膜と導体２との間の密着性が低下してしまい、絶縁皮膜の皮膜浮きを抑制する効果が小さくなるので好ましくない。一方、この密着層３の厚さが、絶縁皮膜全体の厚さの３５％を超えた場合は、密着層３を形成するときに製造装置などから受ける熱履歴によって密着層３の内部に微小な気泡が発生するなどの外観異常が懸念される。この外観異常によって、絶縁皮膜の皮膜浮きが発生したり、絶縁皮膜の密着性を低下させたりするおそれがある。

密着層３を形成するエナメル線用ベース樹脂に含有される密着性向上剤としては、例えば下記の一般式（１）〜（６）で表されるチオール化合物、メルカルプタン類、又はアミノチアゾール類のうちの何れかを含有することが好適である。ここで、Ｒは、独立に水素原子、炭素原子数１〜４のアルキル基、又はＳＨ基である。Ａｒは、芳香環の１個の炭素原子が一般式（６）に示されるＳに結合し、その炭素原子の隣の炭素原子が一般式（６）に示されるＮに結合している２価の芳香族基（アリール基）である。

また、密着層３として、ポリエステルイミド樹脂に密着性向上剤が配合されてなる樹脂塗料を用いる場合は、例えばＮＨ８６４０ＪＨ３Ｙ（商品名）、ＮＨ８６４０ＪＨ２Ｙ（商品名）などの東特塗料社製の市販の樹脂塗料を使用することができる。このような密着性向上剤の含有量としては、エナメル線用ベース樹脂１００質量部に対して０．１質量部以上１０質量部以下の範囲内で含有することが望ましい。

（耐部分放電性層の構成）
この耐部分放電性層４は、インバータサージによる絶縁皮膜の侵食を抑制する。耐部分放電性層４は、耐部分放電性絶縁塗料を密着層３の表面に塗布し、焼付けすることで形成される。この耐部分放電性絶縁塗料は、ポリアミドイミド、ポリイミド、又はポリエステルイミドなどからなるエナメル線用ベース樹脂と溶媒とからなる樹脂塗料にシリカ、アルミナ、チタニア、あるいはジルコニアなどの無機微粒子を含むオルガノゾルが分散されてなるものである。

このオルガノゾルの分散溶媒としては、例えば１３０℃から１８０℃までの範囲の沸点を有する環状ケトン類を主成分とする分散溶媒（主分散溶媒）が挙げられる。このような環状ケトン類としては、例えばシクロヘプタノン（沸点：１８０℃）、シクロヘキサノン（沸点：１５６℃）、シクロペンタノン（沸点：１３１℃）などが挙げられる。これらを少なくとも１種以上用いることが可能である。また、２−シクロヘキセ−１オンなどのような環状構造の一部又は全てが不飽和のものであってもよい。

なお、オルガノゾル、あるいはオルガノゾルと樹脂塗料とを混合した絶縁塗料（耐部分放電性塗料）の安定性を向上させることなどを目的として、分散溶媒としては、環状ケトン類に、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）などの溶媒や芳香族系炭化水素、あるいは低級アルコールなどを混合した分散溶媒としてもよい。但し、混合した環状ケトン類以外の分散溶媒の比率が高いほどポリアミドイミド樹脂塗料との親和性が悪化してしまうため、オルガノシリカゾルにおける全分散溶媒のうち、環状ケトン類を７０％以上含有していることが望ましい。

オルガノゾル中の無機微粒子の粒子径は、絶縁被膜の耐部分放電性を有効に機能させるために、ＢＥＴ法による平均粒子径としては、１００ｎｍ以下が好ましい。オルガノゾル自体の透明性の向上を考慮すると、平均粒子径としては３０ｎｍ以下がより好ましい。

オルガノゾルは、例えばアルコキシシランの加水分解によって得られたシリカゾルを溶媒置換して、あるいは水ガラスをイオン交換して得たシリカゾルを溶媒置換して得ることができる。但し、オルガノゾルは、上記製造方法に限定されることはなく、既知のいずれの製造方法を用いて製造してもよい。

（実施の形態の効果）
上記のように構成された絶縁電線１によれば、絶縁皮膜の密着強度が高められるとともに、例えば電気機器に組み込まれるコイル作製後における耐部分放電性が、コイル作製前に比べて低下しにくいエナメル線が効果的に得られる。

以下に、本発明の更に具体的な実施の形態として、実施例及び比較例を挙げて詳細に説明する。なお、この実施例では、上記実施の形態の典型的な一例を挙げており、本発明は、この実施例に限定されるものではないことは勿論である。

［実施例１］
先ず、導体径φ０．７０ｍｍの銅線上に、溶媒中にポリエステルイミド樹脂からなるエナメル線用ベース樹脂と密着性向上剤とが含まれているポリエステルイミド樹脂塗料（商品名：ＮＨ８６４０ＪＨ２Ｙ、東特塗料社製）を厚さ２〜８μｍの範囲で塗布し、焼き付けることで密着層を形成した。

次に、ポリエステルイミド樹脂塗料からなる密着層の上にポリエステルイミド樹脂からなるエナメル線用ベース樹脂と、γ−ブチロラクトンを主成分とする溶媒とからなる樹脂塗料に、シクロヘキサノンからなる分散溶媒に平均粒子径φ５０μｍのシリカを含むオルガノシリカゾルが混合されてなる耐部分放電性塗料を厚さ２３〜２７μｍの範囲で塗布し、焼き付けることで耐部分放電性層を形成した。

次に、耐部分放電性層の上にポリアミドイミド樹脂からなる樹脂塗料を厚さ６μｍで塗布し、焼き付けることで、強靭性ポリアミドイミド樹脂層を形成した。

最後に、強靭性ポリアミドイミド樹脂層の上にポリアミドイミド樹脂からなる樹脂塗料に滑剤が添加されてなる滑性ポリアミドイミド塗料を厚さ３〜５μｍの範囲で塗布し、焼き付けすることで、実施例１の絶縁電線（エナメル線）を得た。

［比較例１］
上記実施例１と大きく異なるところは、ポリエステルイミド樹脂塗料からなる密着層を形成することなく、導体となる銅線上に耐部分放電性層を形成した点にある。

この比較例１では、先ず、導体径φ０．７０ｍｍの銅線上に、溶媒中にポリエステルイミド樹脂からなるエナメル線用ベース樹脂と、γ−ブチロラクトンを主成分とする溶媒とからなる樹脂塗料に、γ−ブチロラクトンからなる分散溶媒に平均粒子径φ５０μｍのシリカを含むオルガノシリカゾルが混合されてなる耐部分放電性塗料を厚さ２５〜２７μｍの範囲で塗布し、焼き付けることで、耐部分放電性層を形成した。

次に、耐部分放電性層の上にポリアミドイミド樹脂からなる樹脂塗料を厚さ６μｍで塗布し、焼き付けることで、強靭性ポリアミドイミド樹脂層を形成した。

最後に、強靭性ポリアミドイミド樹脂層の上にポリアミドイミド樹脂からなる樹脂塗料に滑剤が添加されてなる滑性ポリアミドイミド塗料を厚さ３〜５μｍの範囲で塗布し、焼き付けすることで、比較例１の絶縁電線（エナメル線）を得た。

（特性試験）
実施例１のエナメル線、及び比較例１のエナメル線について、以下の条件で可とう性、密着強度、皮膜浮き、及びＶ−ｔ特性の試験を行い、これらの特性について評価した。この特性試験結果を下記表１にまとめて示す。

（可とう性試験）
可とう性試験（無伸長）は、伸長していない絶縁電線を、当該絶縁電線の導体径の１〜１０倍の直径を有する巻き付け棒へ「ＪＩＳＣ ３００３「７．１．１ａ」巻付け」に準拠した方法で巻き付け、光学顕微鏡を用いて絶縁皮膜に亀裂の発生が見られない最小巻き付け倍径（ｄ）を測定した。また、可とう性試験（２０％伸長）は、「ＪＩＳＣ ３００３「７．１．１ａ」巻付け」に準拠した方法で絶縁電線を２０％伸長した。その後、可とう性試験（無伸長）と同様の試験方法で試験を行い、光学顕微鏡を用いて絶縁皮膜に亀裂の発生が見られない最小巻き付け倍径（ｄ）を測定した。亀裂を生じない巻付径が大きいほど、可とう性に優れているといえる。

（可とう性評価）
下記表１から明らかなように、無伸長状態のエナメル線では、実施例１及び比較例１とも、亀裂を発生しない巻付径が自己径（１ｄ）であった。

一方、実施例１における２０％伸長してからのエナメル線では、亀裂を発生しない巻付径が自己径（１ｄ）であり、可とう性の向上が確認できた。これに対し、比較例１における２０％伸長してからのエナメル線では、亀裂の発生しない巻付径が自己径（１ｄ）の３倍（３ｄ）となり、可とう性が劣ることが分かった。

（密着強度試験）
密着強度試験（無伸長）は、「ＪＩＳＣ ３００３「８．１ｂ」ねじり法」に準拠して伸長していない絶縁電線に対して行い、絶縁皮膜が導体から浮いたときの回転回数（回数；３６０°を１回とする。）を測定した。密着強度試験（２０％伸長）は、「ＪＩＳＣ ３００３「８．１ｂ」ねじり法」に準拠して２０％伸長した絶縁電線に対して行い、絶縁皮膜が導体から浮いたときの回転回数（回数；３６０°を１回とする。）を測定した。エナメル皮膜が割れるまでの回転回数が多いほど、密着強度に優れているといえる。

（密着強度評価）
下記表１から明らかなように、実施例１では比較例１に比べて、エナメル皮膜が割れるまでの回転回数が多い。実施例１と比較例１との対比により、実施例１に係るエナメル線が密着強度に優れていることが分かった。なお、無伸長時における導体との密着強度に対して、２０％伸長後の密着強度の低下率は、実施例１で２１．３％、比較例１で３３．８％である。つまり、実施例１の密着強度の低下率は２５％未満であり、比較例１の密着強度の低下率は２５％以上である。

（Ｖ−ｔ特性試験）
耐部分放電性は、無伸長状態のエナメル線、及び２０％伸長状態のエナメル線のＶ−ｔ特性（耐電圧寿命特性）試験により評価した。このＶ−ｔ特性試験は、ツイストペアを使用して、印加電圧１．４ｋＶｐ、正弦波１０ｋＨｚの測定条件で実施し、絶縁破壊するまでの時間を測定した。

（Ｖ−ｔ特性評価）
下記表１から明らかなように、実施例１では比較例１に比べて、絶縁破壊するまでの時間が長い。実施例１と比較例１との対比により、実施例１におけるエナメル線のＶ−ｔ特性が優れていることが分かった。

(特性試験の総合評価)
下記表１の特性試験の結果から総合的にみて、実施例１に係るエナメル線は、可とう性、密着強度、皮膜浮き抑制、密着性、及びＶ−ｔ特性に優れることが理解できる。よって、実施例１のエナメル線は、例えばインバータモータ、及び変圧器等の電気機器における巻線コイルへの適用が可能となる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ 絶縁電線
２ 導体
３ 密着層
４ 耐部分放電性層

Claims (5)

1. 導体と、
   前記導体上に形成され、ベース樹脂塗料中に無機微粒子が分散されている絶縁塗料で形成された耐部分放電性層と、
   前記導体と前記耐部分放電性層との間に形成され、前記ベース樹脂塗料に密着性向上剤が添加された絶縁塗料で形成された密着層とを有し、
   前記密着層は、無伸長時における前記導体との密着強度に対して、２０％伸長してからの前記導体との密着強度の低下率が２５％未満であることを特徴とする絶縁電線。
2. 前記密着層は、前記ベース樹脂塗料が分子鎖中にイソシアヌレート環を有するポリエステルイミド樹脂からなる請求項１記載の絶縁電線。
3. 前記密着層は、前記ベース樹脂塗料がポリイミド樹脂からなる請求項１記載の絶縁電線。
4. 前記耐部分放電性層の上に、強靭性ポリアミドイミド層が形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の絶縁電線。
5. 前記強靭性ポリアミドイミド層の上に、滑性ポリアミドイミド層が形成されている請求項４記載の絶縁電線。

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