JP5137749B2 - 巻線用絶縁電線およびコイルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、巻線用絶縁電線、それを用いたコイルおよびその製造方法に関し、詳しくは導体が断面略四角形の高占積用の巻線用絶縁電線、それを用いたコイルおよびその製造方法に関する。

電気機器の小型化または高周波化に伴い、占積率が高く、表面積が大きいため高周波域での表皮効果の低減にも効果がある平角エナメル線が注目を浴びている。従来の平角エナメル線は、例えば特許文献１に示すように、断面丸型のエナメル線を圧延加工して形成されている。導体は、例えば銅、アルミニウム等の導電性の金属で作られている。
また、近年では、平角エナメル線に更に樹脂層を形成した巻線用絶縁電線によって、モーターやトランスに用いられるコイルを形成することが検討されている。

特開平０５−２５８６１４号公報

従来の平角巻線では、隣接する巻線同士のコーナー部と平坦部とが隣接した場合、コーナー部頂点付近の電界が大きくなるためコロナ放電開始電圧（以後、ＰＤＩＶともいう）が低下したり、あるいは絶縁破壊電圧（以後、ＢＤＶともいう）が低下したりする。その結果、使用電圧の制限やあるいはコロナ放電や荷電による絶縁劣化で寿命が短くなるという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、平角線のコーナー部における電界の増大を抑制し、ＰＤＩＶやＢＤＶを向上した巻線用絶縁電線およびコイルの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、断面が略四角形状の絶縁電線の絶縁被覆層の曲率半径を所定値よりも小さくすることによって、該絶縁電線のコーナー部が、隣接する電線の平坦部と隣接あるいは接触した際に生じる電界の集中を緩和できることを見出した。本発明は、この知見に基づきなすにいたったものである。

すなわち、本発明は、
（１）断面が四角形の導体の外周に、樹脂からなる少なくとも１層の絶縁被覆層を有する巻線用電線であって、
前記導体の平坦部に被覆された前記絶縁被覆層の厚さｔ［ｍｍ］、前記導体のコーナー部の曲率半径Ｒ１［ｍｍ］、および絶縁被覆層のコーナー部の曲率半径Ｒ２［ｍｍ］が下記関係式、
０＜Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５
を満たすことを特徴とする巻線用絶縁電線（但し、Ｒ２＜Ｒ１を満たす巻線用絶縁電線を除く）、
（２）前記導体と前記絶縁被覆層との間にエナメル絶縁層を有することを特徴とする（１）に記載の巻線用絶縁電線、
（３）（１）又は（２）に記載の巻線用絶縁電線が巻線加工されたことを特徴とするコイル、
（４）断面が四角形の導体の外周に、樹脂からなる少なくとも１層の絶縁被覆層を有する巻線用絶縁電線の製造方法であって、
前記導体の平坦部の絶縁被覆層の厚さｔ［ｍｍ］、前記導体のコーナー部の曲率半径Ｒ１［ｍｍ］、および絶縁被覆層のコーナー部の曲率半径Ｒ２［ｍｍ］が下記関係式、
０＜Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５
を満たすように前記絶縁被覆層を押出成形することを特徴とする巻線用絶縁電線の製造方法（但し、Ｒ２＜Ｒ１を満たすように前記絶縁被覆層を押出成形する巻線用絶縁電線の製造方法を除く）、および
（５）断面が四角形の導体の外周に、樹脂からなる少なくとも１層の絶縁被覆層を有する巻線用絶縁電線を用いたコイルの製造方法であって、
前記導体の平坦部の絶縁被覆層の厚さｔ［ｍｍ］、前記導体のコーナー部の曲率半径Ｒ１［ｍｍ］、および絶縁被覆層のコーナー部の曲率半径Ｒ２［ｍｍ］が下記関係式、
０＜Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５
を満たすように前記絶縁被覆層を押出成形して巻線用絶縁電線を製造する工程（但し、Ｒ２＜Ｒ１を満たすように前記絶縁被覆層を押出成形して巻線用絶縁電線を製造する工程を除く）と
前記巻線用絶縁電線を巻線に加工する工程と
を備えることを特徴とする、コイルの製造方法
を提供するものである。

請求項１に係る発明によれば、０＜Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５の関係があるため、コーナー部頂点付近の電界を小さくできる。その結果、ＰＤＩＶやＢＤＶの低下を抑制し絶縁性能を良好に保つことができる。
請求項２に係る発明によれば、コーナー部における電界低下の効果がさらに向上することができる。
請求項３に係る発明によれば、導体と押出被覆層との間にエナメル絶縁層を有するため、耐熱性を更に向上させることができる
請求項４に係る発明によれば、上記効果を奏するコイルを提供することができる。
請求項５および６に係る発明によれば、導体の外周に被覆される絶縁被覆層を押出成形によって形成するため、絶縁被覆層のコーナー形状を正確に、かつ小さい曲率半径に成形することができる。
本発明の巻線用絶縁電線からなる巻線は、高占積率のコイルを作製できるため、高性能なモーターやトランスに好適に用いることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施態様の絶縁電線を示す断面図である。
図１の絶縁電線（Ｔ１）は、断面が略四角形の導体１の外周に１層の絶縁被覆層２を有するものある。

導体１は、例えば導電性の金属、好ましくは、銅、アルミニウム、またはこれらの合金からなる。
導体１のコーナー部３の曲率半径Ｒ１は概ね０．２〜０．３ｍｍの範囲である。
導体の径（幅）は、特に限定はないが、１〜３ｍｍが好ましい。
また、本発明におけるコーナー部における曲率半径は、断面観察によって測定することができる。

絶縁被覆層２は、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステル、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリサルホン（ＰＳＵ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリアミド６、６６、１１、１２、６１０、４６を含む脂肪族ポリアミド、ポリアミド６Ｔ、９Ｔ、ＭＸＤ６、ポリフタルアミドを含む芳香族ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリブチレンナフタレート（ＰＢＴ）、ポリブチレンナフタレート（ＰＢＮ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリフェニレンオキサイト（ＰＰＯ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）を含む芳香族ポリエステル、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）を用いることができる。また、これら複数のコポリマー、複数のポリマーアロイも含まれる。特に好ましくは、ＰＰＳ、ＥＴＦＥ、ＰＥＴである。

絶縁被覆層２は１層でも複数の層からなるものでも良いが、導体の平坦部に被覆された絶縁被覆層２の厚さｔは、概ね４０〜２００μｍ、好ましくは１００〜１８０μｍの範囲である。
絶縁被覆層２のコーナー部４の曲率半径Ｒ２は概ね０．２〜０．４ｍｍ、好ましくは０．２〜０．３ｍｍの範囲である。
絶縁被覆層２のコーナー部における曲率半径は、断面観察によって測定することができる。

本発明の第１の実施態様の絶縁電線によれば、図１に示すように、導体１の平坦部の絶縁被覆層２の厚さｔ［ｍｍ］、導体１のコーナー部の曲率半径Ｒ１［ｍｍ］、絶縁被覆層２のコーナー部の曲率半径Ｒ２［ｍｍ］の関係が、
０＜Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５（式１）
であるため、コーナー部の電界を小さくできる結果、ＰＤＩＶやＢＤＶの低下を抑制し絶縁性能を良好に保つことができ、高占積用の巻線として好適に用いることができる。
Ｒ２とＲ１は、Ｒ２≦Ｒ１の関係にあることがさらに好ましい。
上記のような関係式を有する絶縁電線は、例えば、単軸押出機を用いて押出成形することにより作製することができる。

また、導体の外周に被覆される押出被覆層のさらに外周にエナメル層を有してもよい。
エナメル層を形成する材料としては、例えばポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステル、ポリアミド、ホルマール、ポリウレタン、ポリエステル、ポリビニルホルマール、エポキシ、ポリヒダントインが挙げられ、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステルが特に好ましい。
この場合、押出被覆層の厚さは３０〜１５０μｍが好ましく、エナメル層の厚さは１０〜５０μｍが好ましい

図２は、従来の巻線用絶縁電線の１例（Ｔ２）を示す断面図である。図中の符号で、図１と同じものは、図１におけるものと同じ意味である。また、Ｒ１’は導体１のコーナー部の曲率半径、Ｒ２’は絶縁被覆層２のコーナー部の曲率半径、ｔ’は導体１の平坦部に被覆された絶縁被覆層２の厚さである。図２に示す絶縁電線では、平坦部とコーナー部の絶縁被覆層の厚さが同じであり、コーナー部の形状には、Ｒ１’＝Ｒ２’＋ｔ’の関係がある。

図３は、２本の平角線の巻線用絶縁電線１１，１２が隣接した状態を断面図により示す説明図であり、（Ａ）は平坦部同士が隣接した場合、（Ｂ）はコーナー部と平坦部とが隣接した場合を示す。また、図中、１１ａ、１２ａは導体、１１ｂ、１２ｂは絶縁被覆層を示す。なお、本明細書中では、断面が略四角形の線材を平角線と表記し、断面が略正方形の角線が含まれるものとする。

図４は、従来の平角線が図３のように隣接した場合に、空隙や絶縁被覆層に作用する電界分布を示したグラフである。図４の縦軸は、２つの平角線の導体間の空隙や絶縁被覆層にかかる電界の大きさ(Ｖ／ｃｍ)を示し、横軸は、一方の平角線のコーナー部が他方の平角線の平坦部に接する位置（横軸中央が平坦部の中央）を示している。
図４から、コーナー部と平坦部が隣接した場合、平坦部同士が隣接した場合より空隙や絶縁被覆層に作用する電界の最大値が大きくなることがわかる。

本発明は、上記実施の形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内において、種々の変更が可能である。例えば、導体と第１の樹脂層（絶縁被覆層）との間に、金属酸化を防止するために金属酸化物又はコーティング層等からなる金属酸化防止層が形成されていてもよい。
また、絶縁被覆層は、１層以上であればよく、絶縁被覆層を２層または３層積層したものであってもよい。この場合、最外層の絶縁被覆層におけるコーナー部が式１を満たしていればよいが、全ての絶縁被覆層におけるコーナー部が式１を満たしていることが最も望ましい。

また、絶縁電線の構成としては、導体上に直接、樹脂からなる絶縁被覆層を形成してもよく、図５の断面図に示すように導体１上にまずエナメル絶縁層６を焼き付けた後に、押出成形によって絶縁被覆層５を形成してもよい。

以下、本発明を実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明するが本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１〜２、比較例１、参考例１
無酸素銅からなり、幅２．２ｍｍ、コーナーの曲率半径Ｒ１が０．３ｍｍの角線の銅線に、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）からなる絶縁被覆層を押出成形により、表１に示す厚さとコーナー半径Ｒ２を有するように被覆し、実施例１〜２および比較例１の絶縁電線を作製した。
実施例１はＲ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５とした場合、実施例２はＲ２＝Ｒ１とした場合、比較例１はＲ２＝Ｒ１＋ｔとした場合である。これらの絶縁電線のコーナー部と平坦部を隣接させ、下記方法により、空気ギャップの最大電界、絶縁被覆層の最大電界、コロナ放電開始電圧（ＰＤＩＶ）を測定した。また、参考例１として、は実施例１の絶縁電線を平坦部同士を隣接させて、同様に電界およびＰＤＩＶを測定した。
表１に、その結果を示す。

・空気ギャップの最大電界および絶縁被覆の最大電界
実施例１、実施例２および比較例１はコーナー部頂点、参考例１は平坦部において、印加電圧が１ｋＶの電界の最大値を表面電荷法による電界シミュレーションを用いてＰＰＳと空気の比誘電率が各々３．３、１．０の条件により測定した。また、空気ギャップの大きさは１μｍである。
・放電開始電圧
部分放電検出器を用いて、常温、常湿の条件下で測定した。

表１に示すように、実施例１ではＲ２＝０．３８［ｍｍ］、実施例２ではＲ２＝０．３０［ｍｍ］、比較例１ではＲ２＝０．４２５［ｍｍ］を用い、いずれもＲ１＝０．３［ｍｍ］、ｔ＝０．１２５［ｍｍ］である。
表１から、実施例１では、比較例１に比べ、空気ギャップや絶縁被覆層の最大電界が約１０％低減していることがわかる。また、実施例２では、比較例１に比べ、空気ギャップや絶縁被覆層の最大電界が１５％以上低減していることがわかる。放電開始電圧も向上している。さらに、実施例２では、参考例１に比べ、絶縁被覆層の最大電界も小さくなっている。

実施例３〜４、比較例２、参考例２
絶縁被覆層の厚さｔを５０μｍに薄くした以外は、実施例１〜２、比較例１と同様に、Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５とした場合（実施例３）、Ｒ２＝Ｒ１とした場合（実施例４）、Ｒ２＝Ｒ１＋ｔとした場合（比較例３）の絶縁電線を作製した。これらの絶縁電線のコーナー部と平坦部を隣接させ、実施例１と同様に電界を測定した。また、参考例２として実施例３の絶縁電線を平坦部同士を隣接させて同様に電界を測定した。
表２に、その結果を示す。

表２からわかるように、絶縁被覆層の厚さを薄くしても、実施例１〜２と同様に電界を低減する効果を奏する。

実施例５〜６、比較例３、参考例３
導体コーナーＲ１を０．２ｍｍに小さくした以外は、実施例１〜２、比較例１と同様に、Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５とした場合（実施例５）、Ｒ２＝Ｒ１とした場合（実施例６）、Ｒ２＝Ｒ１＋ｔとした場合（比較例３）の絶縁電線を作製した。これらの絶縁電線のコーナー部と平坦部を隣接させ、実施例１と同様に電界を測定した。また、参考例３として実施例５の絶縁電線を平坦部同士を隣接させて同様に電界を測定した。
表３に、その結果を示す。

表３からわかるように、導体コーナーＲ１を小さくしても実施例１〜２と同様に電界を低減する効果を奏する。

以上のことから、Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５の関係にあると、コーナー部の電界集中を抑制でき、ＰＤＩＶの向上を図ることができる。さらにＲ２≦Ｒ１の関係にあると、絶縁被覆層の電界を小さくできるためＢＤＶの向上ができる。

本発明の第１の実施態様の巻線用絶縁電線を示す断面図である。 従来の巻線用絶縁電線の１例を示す断面図である。 ２本の巻線用絶縁電線の隣接状態を断面図により示す説明図であり、（Ａ）は平坦部同士、（Ｂ）はコーナー部と平坦部の場合を示す。 コーナー部の電界分布を示すグラフである。 本発明の巻線用絶縁電線の別の実施態様を示す断面図である。

符号の説明

Ｔ１，Ｔ２ 巻線用絶縁電線
１ 導体
２ 絶縁被覆層
３ 導体コーナー部
４ 絶縁被覆層コーナー部
５ 絶縁被覆層
６ エナメル絶縁層
１１，１２ 巻線用絶縁電線
１１ａ、１２ａ 導体
１１ｂ、１２ｂ 絶縁被覆層

Claims (5)

1. 断面が四角形の導体の外周に、樹脂からなる少なくとも１層の絶縁被覆層を有する巻線用絶縁電線であって、
   前記導体の平坦部に被覆された前記絶縁被覆層の厚さｔ［ｍｍ］、前記導体のコーナー部の曲率半径Ｒ１［ｍｍ］、および前記絶縁被覆層のコーナー部の曲率半径Ｒ２［ｍｍ］が下記関係式、
   ０＜Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５
   を満たすことを特徴とする巻線用絶縁電線（但し、Ｒ２＜Ｒ１である巻線用絶縁電線を除く）。
2. 前記導体と前記絶縁被覆層との間にエナメル絶縁層を有することを特徴とする請求項１に記載の巻線用絶縁電線。
3. 請求項１又は２に記載の巻線用絶縁電線が巻線加工されたことを特徴とするコイル。
4. 断面が四角形の導体の外周に、樹脂からなる少なくとも１層の絶縁被覆層を有する巻線用絶縁電線の製造方法であって、
   前記導体の平坦部の絶縁被覆層の厚さｔ［ｍｍ］、前記導体のコーナー部の曲率半径Ｒ１［ｍｍ］、および絶縁被覆層のコーナー部の曲率半径Ｒ２［ｍｍ］が下記関係式、
   ０＜Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５
   を満たすように前記絶縁被覆層を押出成形することを特徴とする巻線用絶縁電線の製造方法（但し、Ｒ２＜Ｒ１を満たすように前記絶縁被覆層を押出成形する巻線用絶縁電線の製造方法を除く）。
5. 断面が四角形の導体の外周に、樹脂からなる少なくとも１層の絶縁被覆層を有する巻線用絶縁電線を用いたコイルの製造方法であって、
   前記導体の平坦部の絶縁被覆層の厚さｔ［ｍｍ］、前記導体のコーナー部の曲率半径Ｒ１［ｍｍ］、および絶縁被覆層のコーナー部の曲率半径Ｒ２［ｍｍ］が下記関係式、
   ０＜Ｒ２＜Ｒ１＋ｔ／１．５
   を満たすように前記絶縁被覆層を押出成形して巻線用絶縁電線を製造する工程（但し、Ｒ２＜Ｒ１を満たすように前記絶縁被覆層を押出成形して巻線用絶縁電線を製造する工程を除く）と
   前記巻線用絶縁電線を巻線に加工する工程と
   を備えることを特徴とする、コイルの製造方法。
   

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