JP7608131B2

JP7608131B2 - コイル

Info

Publication number: JP7608131B2
Application number: JP2020197893A
Authority: JP
Inventors: 朋来村田; 勝哉 ▲高▼岡
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2025-01-06
Anticipated expiration: 2040-11-30
Also published as: JP2022086080A

Description

本発明は、導体と導体を覆う絶縁体とを備える線材が巻かれたコイルに関する。

コイルに好適な線材を得る技術として、特許文献１には、ポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂とシロキサン系化合物とが含まれる塗料を導体に塗布し、焼付けによって導体に絶縁体を設ける技術が開示されている。

特開２０１１－１３２３９３号公報

コイルは、導体の温度が上がり導体の電気抵抗が大きくなると、抵抗成分によって消費される電力損失（銅損）が大きくなる。銅損を低減するため、導体の放熱を促進して導体の抵抗の上昇を抑える目的で、導体を覆う絶縁体の熱伝導性向上の要求がある。

本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、絶縁体の熱伝導性を向上できるコイルを提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明のコイルは、導体と、導体を覆う絶縁体と、を備える線材が巻かれたものであって、絶縁体は、セラミック粒子および非晶質酸化物からなる。絶縁体の平均の厚さは１μｍ以上５０μｍ以下であり、セラミック粒子の平均粒径は０．４μｍ以上１０μｍ以下である。絶縁体の切断面において、絶縁体の面積に対するセラミック粒子の面積は５０％以上７０％以下である。

第１の態様によれば、導体を覆う絶縁体はセラミック粒子および非晶質酸化物からなり、セラミック粒子の平均粒径は０．４μｍ以上１０μｍ以下であり、絶縁体の平均の厚さは１μｍ以上５０μｍ以下である。絶縁体の切断面において、絶縁体の面積に対するセラミック粒子の面積は５０％以上７０％以下である。これにより導体と絶縁体との付着性を確保し、さらに絶縁体の熱伝導性を向上できる。

第２の態様によれば、コイルの軸に垂直な平面で切断した断面上に現出する絶縁体の厚さの平均最大値を平均最小値で除した値は２．４以下である。厚さのばらつきによって絶縁体に生じる引張応力を低減できるので、第１の態様の効果に加え、導体と絶縁体との付着性を向上できる。

第３の態様によれば、セラミック粒子の材料は、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素から選ばれる少なくとも１種である。第１又は第２の態様の効果に加え、熱伝導性をさらに向上できる。

第４の態様によれば、非晶質酸化物の主成分はＢｉ又はＴｅである。第１から第３の態様のいずれかの効果に加え、絶縁体の付着性を向上できる。

第５の態様によれば、導体の材料はＣｕ又はＡｌである。第１から第４の態様のいずれかの効果に加え、導体の熱伝導性および電気伝導性を確保できる。

一実施の形態におけるコイルの斜視図である。線材の断面図である。コイルの軸に垂直な平面で切断した線材の断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は一実施の形態におけるコイル１０の斜視図である。コイル１０は、軸Ｃの周りに線材１１が螺旋状に巻かれている。本実施形態におけるコイル１０は、線材１１にエッジワイズ曲げ加工が施された巻線である。コイル１０は角筒型であり、コイル１０の外形は、軸Ｃからコイル１０を見た軸方向視において、隣り合う辺が円弧でつながった矩形状である。コイル１０の用途はモータや発電機（回転電気機械）、リアクトル、トランスが例示されるが、用途に制限はない。コイル１０は磁心が配置されない空芯コイルであっても良い。

図２はコイル１０の軸Ｃ（図１参照）を含む線材１１の断面図である。線材１１は、導体１２と、導体１２を覆う絶縁体１３と、を備える絶縁電線である。導体１２の材料はＣｕ、Ａｌ、ＣｕやＡｌの合金が例示される。本実施形態における導体１２は、角に丸みを付した平角線（単線）である。導体１２は、単線を複数集めた集合線でも良い。集合線は、単線を複数積層したものが例示される。

図３は、コイル１０の軸Ｃに垂直な平面Ｐ（図１参照）で切断した線材１１の断面図である。絶縁体１３は、セラミック粒子１４及び非晶質酸化物１５からなる。非晶質酸化物１５（ガラス）は導体１２に付着している。絶縁体１３は、セラミック粒子１４が作る隙間を非晶質酸化物１５が埋めている。非晶質酸化物１５に固定されたセラミック粒子１４は、非晶質酸化物１５の熱伝導性、靭性および強度を向上させる。

絶縁体１３の熱劣化を低減するため、絶縁体１３は樹脂を含まない。樹脂材料の熱伝導率は一般に０．２５－０．３０Ｗ／ｍＫであり、非晶質酸化物１５の熱伝導率は０．６０Ｗ／ｍＫ以上である。樹脂の熱伝導率に比べ、一般に非晶質酸化物１５の熱伝導率は高いので、絶縁体１３の熱伝導性を向上できる。絶縁体１３が樹脂を含まないことは、絶縁体１３の断面に現出する物質の外観、及び、その物質の電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いた波長分散型Ｘ線分析（ＷＤＳ）により、物質に含まれる炭素が検出限界未満であることによって判定できる。

セラミック粒子１４は、材料として、アルミナ、ジルコニア、ムライト、チタニア等の酸化物；窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ジルコニウム、窒化チタン等の窒化物；炭化珪素、炭化チタン等の炭化物；硼化チタン等の硼化物が例示される。セラミック粒子１４は、特に窒化アルミニウム、酸化珪素および窒化珪素から選ばれる少なくとも１種を材料とするものが、絶縁体１３の熱伝導性の向上に好適である。セラミック粒子１４は、材料の異なるものが混ざっていても良い。

セラミック粒子１４の平均粒径は、０．４μｍ以上１０μｍ以下が好適である。絶縁体１３の強度を確保するためである。セラミック粒子１４の平均粒径は以下のようにして求められる。まず、５０個以上のセラミック粒子１４が現出する絶縁体１３の断面の画像を取得する。次いで、画像解析によって５０個以上のセラミック粒子１４の各々の面積の円相当径（直径）を求める。セラミック粒子１４の平均粒径は、得られた円相当径の平均値（ｎ≧５０）である。

非晶質酸化物１５は、材料として、Ｓｉ，Ｂ，Ｐ，Ｔｅ及びＢｉのうちから選択される１種を主成分とするものが例示される。非晶質酸化物１５の主成分とは、酸素（Ｏ）以外の元素のうち非晶質酸化物１５に最も多く含まれる元素（物質量が最も多いもの）をいう。非晶質酸化物１５は、Ｏ及び主成分となる元素以外に、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ等のアルカリ金属；Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ等のアルカリ土類金属；Ａｌ等の貧金属；Ｔｉ，Ｚｎ等の遷移金属から選択される１種以上の元素が含まれ得る。

絶縁体１３は、セラミック粒子１４及び非晶質酸化物１５以外に不純物が含まれることがある。不純物は、金属元素や非金属元素の酸化物やＣが例示される。酸化物（不純物）は、例えば導体１２と絶縁体１３との間の界面１６に存在する。Ｃ（不純物）は、例えばセラミック粒子１４と非晶質酸化物１５との間の境界や非晶質酸化物１５の中に存在する。

酸化物（不純物）を構成する金属元素は、Ｃｒ，Ｃｕ等の遷移金属；Ｓｉ等の半金属、Ａｌ等の貧金属が例示される。酸化物（不純物）を構成する非金属元素はＣが例示される。不純物の含有量は、絶縁体１３に対して酸化物換算で１ｗｔ％以下である。不純物の分析は、ＥＰＭＡを用いたＷＤＳ、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析、又は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により行うことができる。

絶縁体１３は、コイル１０の軸Ｃを含む線材１１の断面において、導体１２の全周に亘って設けられている。少なくとも、互いに隣り合う導体１２間の絶縁を確保するためである。絶縁体１３は、平均の厚さが１μｍ以上５０μｍ以下である。導体１２と絶縁体１３との付着性を確保するためである。導体１２と絶縁体１３との間の界面１６には、導体１２の表面に形成された酸化被膜が存在することがある。

絶縁体１３の厚さは、界面１６の法線方向の、界面１６と絶縁体１３の表面との間の距離である。絶縁体１３の厚さは、コイル１０の軸Ｃに垂直な平面Ｐ（図１参照）で切断した線材１１の断面の画像解析によって求められる。断面観察に適した大きさにコイル１０を分割した後、画像を取得することができる。絶縁体１３の平均の厚さは、絶縁体１３のうち断面に現出する界面１６の長さが３ｍｍ以上の範囲における、界面１６と絶縁体１３の表面との間の平均の距離である。界面１６に酸化被膜が存在する場合には、絶縁体１３の厚さに酸化被膜の厚さが含まれないようにする。

絶縁体１３の切断面において、絶縁体１３の面積に対するセラミック粒子１４の面積は５０％以上７０％以下である。絶縁体１３の熱伝導性を向上させるためである。絶縁体１３の面積およびセラミック粒子１４の面積は、線材１１の断面の画像解析によって求められる。これらの面積を求める画像の範囲（面積）の最小値は、精度を高めるため、絶縁体１３の切断面上の９００００μｍ^２とする。絶縁体１３の３か所以上から画像を取得し、各画像からセラミック粒子１４の面積の割合を求め、その平均値を絶縁体１３の面積に対するセラミック粒子１４の面積とする。

絶縁体１３の切断面における空隙率は７％以下が好適である。絶縁体１３の熱伝導性の向上のためである。絶縁体１３の空隙率は以下のようにして求められる。絶縁体１３の切断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、絶縁体１３の断面の画像を取得する。画像処理によって求めた空隙の面積を画像の面積で除した値（％）を空隙率とする。空隙の面積を求める画像の範囲（面積）の最小値は、精度を高めるため、絶縁体１３の切断面上の９００００μｍ^２とする。絶縁体１３の３か所以上から画像を取得し、各画像から空隙率を求め、その平均値を絶縁体１３の空隙率とする。

コイル１０は、例えば以下の方法によって製造される。まず、コイル１０の形状に導体１２を成形した巻線、及び、電荷を帯びたセラミック粒子１４が分散した液体を準備する。液体の中に巻線を沈め、電着によりセラミック粒子１４の膜を導体１２の表面に作る。導体１２の表面の膜には、液体に分散した樹脂も含まれるので、液体から取り出した巻線を洗浄した後、巻線を加熱して、膜に含まれる樹脂を焼失させる。電着の前処理で使われた薬品の残渣や樹脂の炭化物が、不純物として残る可能性がある。

次に、導体１２の表面に非晶質酸化物１５を作り、非晶質酸化物１５によってセラミック粒子１４を導体１２に固定する。導体１２の表面に非晶質酸化物１５（ガラス）を作る方法は、溶融法、気相法、ゾルゲル法などが例示される。これによりセラミック粒子１４及び非晶質酸化物１５からなる絶縁体１３が導体１２を覆うコイル１０が得られる。必要に応じて絶縁ワニスをコイル１０に付着しても良い。

コイル１０は、導体１２を覆う絶縁体１３が、セラミック粒子１４及び非晶質酸化物１５からなる。絶縁体１３の平均の厚さは１μｍ以上５０μｍ以下である。セラミック粒子１４の平均粒径は０．４μｍ以上１０μｍ以下である。絶縁体１３の切断面において、絶縁体１３の面積に対するセラミック粒子１４の面積は５０％以上７０％以下である。これにより導体１２と絶縁体１３との付着性を確保し、さらに絶縁体１３の熱伝導性を向上できる。

絶縁体１３は樹脂を含まないので、樹脂に起因する絶縁体１３の熱劣化を低減できる。よって絶縁体１３の熱伝導性の経時劣化を低減できる。

コイル１０の軸Ｃに垂直な平面Ｐ（図１参照）で切断した線材１１の断面に現出する絶縁体１３の厚さの平均最大値Ｘを厚さの平均最小値Ｎで除した値Ｘ／Ｎは２．４以下が好ましい。Ｘ／Ｎ≦２．４であると、厚さのばらつきによって生じる絶縁体１３の引張応力を低減し、導体１２と絶縁体１３との付着性を向上できるからである。

絶縁体１３の厚さの平均最大値Ｘは、平面Ｐで切断した線材１１の断面に現出する絶縁体１３のうちの５か所から、画像解析によりそれぞれ求めた５つの最大値の平均値である。絶縁体１３の厚さの平均最小値Ｎは、平均最大値Ｘを求めたのと同じ５か所から、画像解析によりそれぞれ求めた５つの最小値の平均値である。平均最大値Ｘ及び平均最小値Ｎをそれぞれ求める範囲（５か所のうちの一つの範囲）は、絶縁体１３のうち断面に現出する界面１６の長さが３００μｍ以上の範囲である。導体１２と絶縁体１３との間の界面１６に酸化被膜が存在する場合には、絶縁体１３の厚さに酸化被膜の厚さが含まれないようにする。

セラミック粒子１４の材料は、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素から選ばれる少なくとも１種が好ましい。絶縁体１３の熱伝導性をさらに向上できるからである。

非晶質酸化物１５の主成分はＢｉ又はＴｅが好ましい。絶縁体１３の付着性を向上できるからである。

導体１２の材料はＣｕ（電気用銅材）又はＡｌ（電気用硬アルミニウム）が好ましい。導体１２の熱伝導性および電気伝導性を確保できるからである。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

厚さ５ｍｍで幅が一定の平角線からなる導体の全ての面を絶縁体が覆う、表１に示すＮｏ．１－２５のサンプルを作製した。Ｎｏ．１－２５のサンプルは、導体の材料、絶縁体に含まれるセラミック粒子および非晶質酸化物の材料やそれらの割合、絶縁体の空隙率および絶縁体の平均の厚さを異ならせた。

Ｎｏ．１－２０，２３－２５のサンプルの絶縁体は、セラミック粒子および非晶質酸化物の面積（％）の合計に空隙率（％）を加えると１００％である。Ｎｏ．２１，２２のサンプルの絶縁体には非晶質酸化物が含まれていない。Ｎｏ．２１のサンプルの絶縁体は、非晶質酸化物の代わりにエポキシ樹脂を３１ｖｏｌ％含む。Ｎｏ．２２のサンプルの絶縁体は、非晶質酸化物の代わりにエポキシ樹脂を２３ｖｏｌ％含む。

Ｎｏ．１，２３－２５のサンプルの非晶質酸化物はＳｉ（主成分），Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａを含む。Ｎｏ．２のサンプルの非晶質酸化物はＢ（主成分），Ｎａ，Ｋ，Ｍｇを含む。Ｎｏ．３のサンプルの非晶質酸化物はＰ（主成分），Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｚｎを含む。Ｎｏ．４のサンプルの非晶質酸化物はＳｉ（主成分），Ｌｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｂａ，Ｚｎを含む。Ｎｏ．５－１４のサンプルの非晶質酸化物はＳｉ（主成分），Ｌｉ，Ｋ，Ｂａ，Ｚｎ，Ｔｉを含む。Ｎｏ．１５のサンプルの非晶質酸化物はＴｅ（主成分），Ｚｎ，Ｂａ，Ａｌを含む。Ｎｏ．１６，１９，２０のサンプルの非晶質酸化物はＢｉ（主成分），Ｚｎ，Ｂａ，Ａｌを含む。Ｎｏ．１７のサンプルの非晶質酸化物はＴｅ（主成分），Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂａ，Ａｌを含む。Ｎｏ．１８のサンプルの非晶質酸化物はＴｅ（主成分），Ｚｎ，Ｍｇ，Ａｌを含む。

表１に記されているセラミック粒子の粒径は、断面に現出する５０個の粒子の円相当径の平均値（小数第２位を四捨五入した値）である。セラミック粒子および非晶質酸化物の面積（％）、絶縁体の空隙率（％）及び絶縁体の平均の厚さ（μｍ）は、５か所の断面の平均値（小数第１位を四捨五入した値）である。絶縁体の厚さの最大（μｍ）及び最小（μｍ）は、５か所の断面の平均値（小数第２位を四捨五入した値）であり、それぞれ平均最大値Ｘ及び平均最小値Ｎを示す。厚さの比率（－）は、平均最大値Ｘを平均最小値Ｎで除した値（小数第２位を四捨五入した値）である。Ｎｏ．１－２５のサンプルについて絶縁体の付着性および熱伝導性の各特性を測定し、評価した。

（付着性）
ＪＩＳＲ３２５５：１９９７に規定されたマイクロスクラッチ試験に準拠して、絶縁体の付着性試験を行った。試験は、サンプルの絶縁体の平坦な面に圧子針を押し付け、圧子針を水平に微小振動させながら、その面に平行かつ直線的にサンプルを移動させ、試験領域の絶縁体の１００％に剥離が生じた完全損傷荷重を測定した。圧子針は、材料がダイヤモンド、先端の円錐角は１２０°、先端の曲率半径は０．２ｍｍであった。完全損傷荷重が大きいほど、導体に対する絶縁体の付着力が大きい。完全損傷荷重が７５Ｎ以上のサンプルはＳ、完全損傷荷重が６０Ｎ以上７５Ｎ未満のサンプルはＡ、完全損傷荷重が４０Ｎ以上６０Ｎ未満のサンプルはＢ、完全損傷荷重が４０Ｎ未満のサンプルはＣと評価した。結果は表１に記した。

（熱伝導性）
サンプルの導体の厚さ方向の片面に、５ｍｍ^２の大きさの表面の温度が８０℃のヒーターを配置し、サンプルの片面を加熱した。サンプルの片面とヒーターの表面との間の距離は３ｍｍとした。サンプルの厚さ方向のもう片方の面の温度を放射温度計で測定し、サンプルの片面の加熱を開始した時から放射温度計が示す温度が５０℃に到達するまでの時間を測定する試験を行った。試験は気温２０℃の室内で行った。５０℃に到達するまでの時間が短いほど、絶縁体の熱伝導性が優れている。その時間が２０秒未満のサンプルはＡ、時間が２０秒以上３０秒未満のサンプルはＢ、時間が３０秒以上のサンプルはＣと評価した。結果は表１に記した。

（評価）
付着性は、Ｎｏ．１－２０の評価がＳ，Ａ又はＢであったが、Ｎｏ．２１－２５の評価がＣであった。Ｎｏ．１－２０のサンプルは、絶縁体がセラミック粒子および非晶質酸化物からなり、絶縁体が樹脂を含まず、絶縁体の平均の厚さは１μｍ以上５０μｍ以下であり、セラミック粒子の平均粒径は０．４μｍ以上１０μｍ以下であり、絶縁体の切断面において、絶縁体の面積に対するセラミック粒子の面積は５０％以上７０％以下であった。これによりＮｏ．１－２０のサンプルは、Ｎｏ．２１－２５のサンプルに比べ、導体に対する絶縁体の付着性が向上したと推察される。

付着性は、Ｎｏ．７－２０の評価がＳ又はＡであったが、Ｎｏ．１－６の評価がＢであった。Ｎｏ．７－２０のサンプルは、絶縁体の厚さの最大値Ｘを最小値Ｎで除した値Ｘ／Ｎが２．４以下であったから、Ｎｏ．１－６のサンプルに比べ、導体に対する絶縁体の付着性がさらに向上したと推察される。

付着性は、Ｎｏ．１５－２０の評価がＳであったが、Ｎｏ．７－１４の評価がＡであった。Ｎｏ．１５－２０のサンプルは、絶縁体に含まれる非晶質酸化物の主成分がＴｅ又はＢｉであったから、Ｎｏ．７－１４のサンプルに比べ、導体に対する絶縁体の付着性がさらに向上したと推察される。

Ｎｏ．１－２０のサンプルは、熱伝導性の評価がＡ又はＢだから、絶縁体の熱伝導性も確保できたことが判明した。熱伝導性の評価は、Ｎｏ．１１－２０の評価がＡであったが、Ｎｏ．１－１０の評価がＢであった。Ｎｏ．１１－２０のサンプルは、絶縁体に含まれるセラミック粒子の材料が、窒化アルミニウム、炭化珪素または窒化珪素であったから、Ｎｏ．１－１０のサンプルに比べ、絶縁体の熱伝導性がさらに向上したと推察される。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

実施形態では、平角線からなる導体１２にエッジワイズ曲げ加工が施されたコイル１０について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。エッジワイズ曲げ加工に代えて、フラットワイズ曲げ加工を導体１２に施したコイル１０にすることは当然可能である。導体１２は平角線に限られるものではなく、他の導体を採用することは当然可能である。他の導体は、断面が方形の角線、断面が円形の丸線が例示される。

実施形態では、軸方向視における外形が矩形の角筒型のコイル１０について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。コイル１０の形状を、軸方向視における外形が方形や扇形である角筒型とすることは当然可能である。コイル１０の形状を、軸方向視における外形が円形（楕円形や長円形を含む）である円筒型とすることは当然可能である。

実施形態では、軸Ｃの周りに１本の導体１２が螺旋状に巻かれたコイル１０について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。軸Ｃの周りに複数本の導体が螺旋状に巻かれたコイル１０にすることは当然可能である。

実施形態では、軸Ｃに沿って導体１２が螺旋状に巻かれたコイル１０について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。軸Ｃと導体１２との間の距離が次第に長くなるように、軸Ｃを中心として導体１２が渦巻状に巻かれたコイル１０にすることは当然可能である。

実施形態では、径方向に導体１２が１層巻かれたコイル１０について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。径方向に導体１２が複数層巻かれたコイル１０にすることは当然可能である。

１０コイル
１１線材
１２導体
１３絶縁体
１４セラミック粒子
１５非晶質酸化物
Ｃ軸
Ｐ平面

Claims

導体と、前記導体を覆う絶縁体と、を備える線材が巻かれたコイルであって、
前記絶縁体は、セラミック粒子および非晶質酸化物からなり、
前記絶縁体の平均の厚さは１μｍ以上５０μｍ以下であり、
前記セラミック粒子の平均粒径は０．４μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記絶縁体の切断面において、前記絶縁体の面積に対する前記セラミック粒子の面積は５０％以上７０％以下であり、
前記セラミック粒子の材料は、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素から選ばれる少なくとも１種であり、
前記絶縁体の空隙率は７％以下であるコイル。
前記コイルの軸に垂直な平面で切断した断面上に現出する前記絶縁体の厚さの平均最大値を平均最小値で除した値は２．４以下である請求項１記載のコイル。
前記非晶質酸化物の主成分は、Ｂｉ又はＴｅである請求項１又は２に記載のコイル。
前記導体の材料は、Ｃｕ又はＡｌである請求項１から３のいずれかに記載のコイル。