JP5734110B2 - 回転電機用巻線体のワニス含浸処理方法およびその方法によって製作された回転電機用巻線体 - Google Patents

Description

この発明は、一般産業用および民生用モータ、発電機等の回転電機用巻線体であるコイルのワニス含浸処理方法、およびこの方法によってワニス処理され製作された回転電機用巻線体であるコイルに関するものである。

従来から、回転電機の鉄心に導体を巻きつけて形成された固定子コイルや、回転子コイル等において、絶縁性能の向上に加え、導体間の空隙を充填しコイルから鉄心への熱伝達性を向上させコイルの放熱特性を向上させるために、ワニス含浸処理が行われている。
この様なワニス含浸方法として、コイルを熱硬化性樹脂のワニス中に浸してワニスを浸透させる浸漬含浸法や、コイルにワニスを滴下して含浸させる滴下含浸法、あるいはコイルを真空容器内に収容し、容器内を減圧した状態でコイルをワニス中に浸漬もしくはコイルにワニスを滴下して含浸させる真空含浸法などがある。
ところが、これらの方法によりワニスを含浸させたコイルは、その後加熱炉内で加熱されワニスを硬化させるが、この加熱過程において、コイル温度がワニスの硬化温度に達する以前に一旦ワニス粘度が下がり、コイルからワニスが流出し、絶縁性能やコイルの放熱性能が低下するという問題点があり、この改善のため、コイルをワニス中に浸漬しているときに、コイルに通電過熱してワニスをゲル化させ、含浸後のワニスの流出を防止する方法（例えば、特許文献１）や、コイル表面に粉体ワニス処理を行い非浸透性の被膜を形成した後、真空加圧含浸装置により被膜内に無溶剤ワニスを充填し、この後被膜内に充填された無溶剤ワニスを加熱硬化させる方法（例えば、特許文献２）などが提案されている。

特開昭６１−２１４７４９号公報 特開平０６−１５３４６８号公報

前記特許文献１のワニス含浸方法によれば、浸漬中にワニスをゲル化させるため、加熱硬化時にワニスの粘度低下が発生せずワニスの流出を防止できる。また特許文献２のワニス含浸方法によれば、非浸透性の被膜内にワニスを含浸させるため、やはり加熱硬化時のワニスの流出を防止できる。
しかしながら、特許文献１に示された技術では、ワニスを浸漬中にコイルを通電加熱するため、蓄熱によりワニスの劣化が進みポットライフ（可使時間）が短くなり材料歩留まりが低下するという問題点があった。また、特許文献２の技術では、無溶剤ワニスを含浸するための開口部を作るマスキング工程、粉体ワニスを付着させる工程、粉体ワニスを溶融固着させる工程が必要となり工数が増える上、粉体ワニスにより材料費も増えるため、製造コストが増大するという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、余分な工程を経ることなくして製造コストの増大を抑制し、加熱硬化中のワニスの流出を防止できるコイルのワニス含浸処理方法と、この方法によりワニスを含浸することで製作された絶縁性、放熱性に優れた回転電機用巻線体を得ることを目的としている。

第１の発明は、導体を複数層巻きつけて形成された回転電機用巻線体のワニス含浸処理方法であって、回転電機用巻線体を予熱する予熱工程と、予熱された回転電機用巻線体にワニスを滴下、含浸するワニス含浸工程と、ワニスを硬化させる加熱硬化工程とを備え、
ワニス含浸工程は、Ａワニスを滴下、含浸する第１の工程と、第１の工程に引き続きＢワニスを滴下、含浸する第２の工程を有し、ＡワニスとＢワニスの硬化温度はＡワニスの硬化温度＞Ｂワニスの硬化温度とするとともに、予熱工程における回転電機用巻線体の予熱温度が、Ｂワニスの硬化温度以上で、かつＡワニスの硬化温度よりも低いものであるとともに、第２の工程中にＢワニスを回転電機用巻線体の表層部のみでゲル化させることにより、加熱硬化工程において回転電機用巻線体の内部からＡワニスの流出を防止したものである。

第２の発明は、前記第１の発明に係るワニス含浸処理方法によって製作された回転電機用巻線体である。

第１の発明による回転電機用巻線体のワニス含浸処理方法は、前記のようなワニスの硬化温度を有し、前記のような工程を有するものであるので、ワニスのポットライフに影響を与えず、余分な工程を必要とせずに加熱硬化中のワニスの流出を防止でき、使用するワニスの歩留まりが向上し、この結果ワニスの消費量が低減でき、かつ製造コストを低減可能となる。

第２の発明による回転電機用巻線体は、第１の発明による方法によって製作されたものであるので低コストで、絶縁性、放熱性に優れた回転電機用巻線体を得ることができるという効果がある。

実施の形態１によるワニス含浸工程を示す模式図である。 実施の形態１によるＡワニスを滴下後のコイルへの浸透状態を示す断面図である。 実施の形態１によるＡワニス滴下後、Ｂワニスを滴下後のコイルへの浸透状態を示す断面図である。 実施の形態１による巻線体のワニス含浸処理工程を示す図である。 実施の形態１による各実施例の比較を示す図である。 実施の形態１の巻線体の放熱特性測定系の装置構成を示す図である。 実施の形態１による各実施例の放熱特性測定結果を示す図である。 実施の形態１による比較例２による巻線体へのワニス浸透状態を示す断面図である。 実施の形態１のよる比較例３による巻線体へのワニス浸透状態を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による回転電機用巻線体（以後、巻線体と称す）のワニス含浸処理方法について図に基づいて説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１におけるワニス含浸工程を示す模式図である。ここでこの実施の形態１では１５５℃〜１８５℃の硬化温度を有する複数のＡワニス４の内から１５５℃の硬化温度のＡワニス４と、１２５℃〜１４５℃の硬化温度を有する複数のＢワニス５の内から１３５℃の硬化温度のＢワニス５が使用されている。図１（ａ）、（ｂ）に示すように巻線体３は、鉄心１とコイル２とで構成されている。コイル２はエナメル線やポリエステルイミド線などの導体を鉄心１に直接複数層巻きつけて形成されている。
巻線体３は、吸着した水分および巻線時に発生した導体被覆層の歪みを除去するため、１３５℃の温度で図示省略した炉中で予熱後ワニス含浸処理される。前記予熱工程における巻線体３の温度調整は、前記Ｂワニス５の硬化温度（１３５℃）以上であって、前記Ａワニス４の硬化温度（１５５℃）より低い温度である１３５℃となるようになされている。

このように予熱された巻線体３に対し、図１（ａ）に示すようにノズル１１を通してＡワニス４を滴下してコイル２の内部に浸透させた後、図１（ｂ）に示すようにノズル１１ａを通してＢワニス５を滴下してコイル２に浸透させる。
図２に、Ａワニス４を滴下した後の巻線体３へのＡワニス４の浸透状態の断面図を示す。図２に示すように、巻線体３の予熱温度（１３５℃）がＡワニス４の硬化温度（１５５℃）より低いため、コイル２の表層部２ａでゲル化することなくコイル２の中心部１０まで浸透している。
図３に前述したＡワニス４滴下後にＢワニス５を滴下、浸透した巻線体３の断面図を示す。巻線体３の予熱温度が１３５℃であり、硬化温度が１３５℃であるＢワニス５を採用しているため、図３に示すようにコイル２の中心部１０まで浸透せず表層部２ａ、すなわちコイル２の表層より概略２〜３層でゲル化する。このようにＡワニス４、Ｂワニス５を連続的に滴下、含浸した後、巻線体３をＡワニス４の硬化温度にて加熱し、ワニス含浸処理を行う。この一連の工程は後述する。

次に、前記実施の形態１に基づく実施例を説明する。
鉄心１に線径１．０５ｍｍφの導体を直接巻きつけて占積率８７％のコイル２を備えた巻線体３を形成した後、温度設定１５０℃の熱風乾燥炉内で２時間予熱し、１３５℃近傍の加熱調整した巻線体３にＡワニス４を滴下（以下、第１の工程と称す）し、引き続きＢワニス５滴下（以下、第２の工程と称す）した。その後１７５℃の熱風乾燥炉内で４時間加熱して、前記Ａワニス４、Ｂワニス５を硬化させ含浸処理された巻線体３を得た。この一連の工程を図４に示す。
尚、Ａワニス４は以下の通り調整した。
主剤：エポキシポリエステル４９重量部、架橋剤：２−ヒドロキシエチルメタアクリレート４９重量部、重合開始剤：ジクミルパーオキサイド：１重量部、硬化剤：オクチル酸亜鉛１重量部をプロペラ式攪拌機にて１時間攪拌した後、目視にて気泡が確認されなくなるまで放置脱泡した。このＡワニス４の硬化温度は１７５℃である。
また、Ｂワニス５は以下の通り調整した。
主剤：エポキシアクリレート５９重量部、架橋剤：２−ヒドロキシエチルメタアクリレート４０重量部、重合開始剤：ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキサノエート：１重量部をプロペラ式攪拌機にて１時間攪拌した後、目視にて気泡が確認されなくなるまで放置脱泡した。このＢワニス５の硬化温度は１３５℃である。

（比較例１）
ワニスの含浸工程において、第１の工程であるＡワニス４のみを滴下し、第２の工程であるＢワニス５の滴下を行わなかった以外は実施例と同じ工程を行い含浸処理された巻線体３を得た。
（比較例２）
ワニスの含浸工程において、第２の工程のＢワニス５のみを滴下し、Ａワニス４の滴下を行わなかった以外は実施例と同じ工程を行い含浸処理された巻線体３を得た。
（比較例３）
ワニスの含浸の第１の工程において、実施例のＡワニス４に代替して、以下の通り調整したＣワニス９を滴下した以外は実施例と同じ工程を行い含浸処理された巻線体３を得た。
主剤：不飽和ポリエステル５０重量部、架橋剤：２−ヒドロキシエチルメタアクリレート４９重量部、重合開始剤：１，１−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）−２−メチルシクロヘキサン１重量部をプロペラ式攪拌機にて１時間攪拌した後、目視にて気泡が確認されなくなるまで放置脱泡した。このＣワニス９の硬化温度は１４２℃である。

図５に実施例、比較例１、比較例２、比較例３での予熱工程条件、ワニス含浸工程条件、ワニス硬化工程条件をまとめて示す。

次に、実施例、比較例１、比較例２、比較例３で得られた巻線体３のワニス付着量、絶縁性能、巻線の放熱性能の評価を行った。ワニス付着量については、含浸処理前後の巻線体３の重量差から求めた。絶縁性能については、代表値としてコイル２と鉄心１間の誘電正接の値を測定した。測定条件はＡＣ２５００Ｖ、６０Ｈｚとし、総研電気（株）製ｔａｎδ測定機ＤＡＣ−ＡＳＭ−７で測定した。放熱特性について、図６に測定系の装置構成を示す。鉄心１にヒートシンク６を取り付けた状態で、コイル２に交流電源７よりＡＣ１００Ｖ、６０Ｈｚの電圧を印加し抵抗計８で初期及び１時間通電後のコイル２の抵抗測定を行い、ＪＩＳ−Ｃ４２０３より下式に従ってコイル２の温度上昇を求めた。
θ＝θ２−θα＝（Ｒ２／Ｒ１−１）×（２３５＋θ１）＋（θ１−θα） ［℃］
θ：コイル２の温度上昇値、θ１：初期抵抗測定時の巻線温度、θ２：試験後のコイル２の温度
θα：試験後の室温、Ｒ１：初期抵抗、Ｒ２：試験後の抵抗
図７に各測定結果をまとめて示す。

ワニスの付着量は実施例では２４．２ｇで第１の工程および第２の工程で滴下されたＡワニス４およびＢワニス５の総量２５ｇのほぼ全量が、硬化後のコイル２に付着していることが分かる。一方比較例１では１３．８ｇで、ワニス含浸工程で滴下されたＡワニス４の約４５％が硬化工程でコイル２より流出してしまっている。また比較例２では９．４ｇと付着量が非常に少ない。
図８は比較例２で得られた巻線体３の断面図である。コイル２の表層部２ａ（表面より２〜３層）にのみＢワニス５が付着し、コイル２の中心部１０への浸透はほとんどみられない。これはコイル２に滴下されたＢワニス５が表層部２ａでゲル化しそれ以降に滴下されたＢワニス５のコイル２への浸透を阻害したためである。比較例３では１９．８ｇと比較例１、２に比較するとワニス付着量が多いが、実施例と比較すれば少ない。
図９に比較例３で得られた巻線体３の断面図を示す。図９から判るようにＣワニス９がコイル２の中心部１０まで浸透せずコイル２の中心部１０に空隙が生じていることが分かる。これは、Ｃワニス９の硬化温度が１４２℃であるのに対し、Ｂワニス５の硬化温度が１３５℃、温度差が１０℃以内でありＢワニス５をゲル化させるために巻線体３の温度を１３５℃に調節したため、Ｃワニス９の滴下時にＣワニス９の一部がゲル化しコイル２への浸透が阻害されたためである。

誘電正接については、比較例１が３．４％、比較例２が４．９％、比較例３が２．９％であるのに対し、実施例では２．２％と最少の値である。これは、比較例１、比較例２及び比較例３において、実施例に比べワニスの付着量が少ないことによりコイル２と鉄心１間のモレ電流の増大があることを示している。
また、温度上昇についても、比較例１が５８．２℃、比較例２が６１．４℃、比較例３が５５．９℃であるのに対し、実施例では５１．２℃と最少の値である。これは、実施例で第１の工程および第２の工程においてコイル２の中心部１０まで充分にＡワニス４が含浸され、またその後の硬化工程でコイル２の中からのＡワニス４の流出が防止されて、硬化後コイル２中に充分なワニス付着量が確保されたことにより、コイル２と鉄心１間の熱伝達性およびコイル２の放熱性が向上したことを示している。
以上の結果より、実施の形態１に基づくワニス含浸処理方法を用いた実施例において、余分な工程を経ることなく低コストで、ワニス含浸工程前述した第１、第２の工程でコイル２の中に充分Ａワニス４、Ｂワニス５を浸透させ、且つ図４に示す１７５℃のワニス硬化工程でコイル２の中からのワニスの流出を防止し充分なワニスの付着量を確保して、絶縁性能、放熱性能に優れた巻線体３が得られたことがわかる。
尚、実施例においてＡワニス４およびＢワニス５の組成例を示したが、これらに限定されるものではなく、この実施の形態１に記載する性能要件を満たすものであればいかなる組成のものでも使用可能である。

またこの実施の形態１では、鉄心１に導体を直接巻きつけて形成した直接巻きコイル２を備えた巻線体３のワニス含浸方法について説明したが、この例に限らずコイル２を鉄心１に直接巻きつけることでなく専用工具によって巻線され形成された、いわゆる間接巻きのコイル２とし、この間接巻きのコイル２のワニス含浸方法であってもよい。
またさらに、Ａワニス４、Ｂワニス５がノズル１１、１１ａを介して含浸する方法を述べたが、これに限らず他の方法、例えば浸漬含浸法、真空含浸法等であってもよい。そして、この実施の形態１によるワニス含浸処理方法は、汎用ＩＰＭモータや永久磁石埋込型モータや多方面にわたる各種回転電機に適用可能である。

１ 鉄心、２ コイル、２ａ 表層部、３ 巻線体、４ Ａワニス、５ Ｂワニス。

Claims (6)

1. 導体を複数層巻きつけて形成された回転電機用巻線体のワニス含浸処理方法であって、前記回転電機用巻線体を予熱する予熱工程と、前記予熱された回転電機用巻線体にワニスを滴下、含浸するワニス含浸工程と、前記ワニスを硬化させる加熱硬化工程とを備え、
   前記ワニス含浸工程は、Ａワニスを滴下、含浸する第１の工程と、前記第１の工程に引き続きＢワニスを滴下、含浸する第２の工程を有し、前記Ａワニスと前記Ｂワニスの硬化温度はＡワニスの硬化温度＞Ｂワニスの硬化温度とするとともに、前記予熱工程における前記回転電機用巻線体の予熱温度が、前記Ｂワニスの硬化温度以上で、かつ前記Ａワニスの硬化温度よりも低いものであるとともに、前記第２の工程中に前記Ｂワニスを前記回転電機用巻線体の表層部のみでゲル化させることにより、前記加熱硬化工程において前記回転電機用巻線体の内部から前記Ａワニスの流出を防止したことを特徴とする回転電機用巻線体のワニス含浸処理方法。
2. 前記第１の工程で滴下、含浸するＡワニスの硬化温度が、前記第２の工程で滴下、含浸するＢワニスの硬化温度よりも少なくとも１０℃以上高いことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用巻線体のワニス含浸処理方法。
3. 前記回転電機用巻線体が鉄心とこの鉄心に直接巻きつけられたコイルまたは前記回転電機用巻線体が間接巻きコイルのいずれかとすることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用巻線体のワニス含浸処理方法。
4. 前記Ａワニスが前記コイルの内部に含浸され、前記Ｂワニスが前記コイルの表層部に含浸されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機用巻線体のワニス含浸処理方法。
5. 前記請求項１に記載のワニス含浸処理方法によって製作されたことを特徴とする回転電機用巻線体。
6. 前記回転電機用巻線体が、鉄心とこの鉄心に直接巻きつけられたコイルまたは前記回転電機用巻線体が間接巻きコイルのいずれかとすることを特徴とする請求項５に記載の回転電機用巻線体。

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