JP5889290B2 - 包囲電気絶縁体を有する導電体 - Google Patents
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Description
本発明は、包囲電気絶縁システムを備える導電体に関する。
酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）または酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）の粒子を充填したワニス状の電気絶縁体を備える導電体は、部分放電に対する優れた抵抗性を提供することで知られている。これらのタイプの絶縁導電体は一般的に電気モータに使用され、エナメル線と呼ばれている。
参照により本明細書中に組み込まれる特許文献１には、ベースコート（ｂａｓｅｃｏａｔ）およびトップコート（ｔｏｐｃｏａｔ）を備える絶縁コーティングシステムを有するエナメル線の一例が示されている。トップコートは、例えばポリエステルアミド（ＰＥＡ）の有機ポリマーと、平均粒径が０．００５〜３０μｍ、好ましくは０．１５〜１０μｍの酸化クロム粒子または酸化鉄粒子状の充填剤とを含む。トップコートは、導電体を包囲するポリエステルまたはポリエステルイミド（ＰＥＩ）からなるベースコートの上に塗布される。酸化クロム粒子の量は、パーコレート構造を形成するのに十分な量でなくてはならない。これにより、トップコートにおいて１０４〜１０８ｏｈｍ−ｍの固有抵抗率が実現し、放電中に絶縁システムを電気的に遮蔽することができる。その結果、絶縁コーティングの電食開始が防止される。いったんトップコートが貫通されてしまうか、またはトップコートに亀裂が入ってしまうと、電食はベースコートを通ってかなり早く進行する。上記のタイプの絶縁システムにおけるひとつの欠点は、高電界に耐えるために絶縁コーティングに対する要求が高まるのに伴い、さらに多くの量の酸化クロムが必要になることである。このより多くの量の酸化クロムによって、絶縁システムの機械的性質は低下する。例えば、モータの製造時にコーティングされた線を曲げ加工するため、絶縁システムが優れた曲げ強度などの優れた機械的性質を有していることが必要となる。
特に、低電圧周波数変換制御モータの場合、導電体の絶縁システムにおいて部分放電を引き起こし、結果として絶縁システムの電食を引き起こす可能性があるフラッシュオーバ電圧に耐えるために、導電体の絶縁コーティングに対する要求が増加する。したがって、現在の絶縁システムと比較して、部分放電に対する抵抗性が同等またはより高い、金属線のような金属導電体のための電気絶縁システムが必要となる。
本発明のひとつの目的は、電気絶縁システムにおいて部分放電に対する高い抵抗性を有する絶縁導電体を提供することである。本発明の他の目的は、絶縁導電体の電気絶縁システムの機械的性能を向上させることである。
これらの目的は、電気絶縁システムを備える導電体であって、電気絶縁システムが、導電体を包囲し、導電体を包囲する第一電気絶縁層と、第一絶縁層を包囲する第二電気絶縁層とを含む導電体を設けることによって達成される。第二電気絶縁層は、第二ポリマーと、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、または酸化クロムおよび酸化鉄の混合物状の第二充填剤とを含み、第一電気絶縁層は、第一ポリマーと、分散したナノ粒子を含む第一充填剤とを含む。
ナノ粒子は、第一ポリマー中に十分に分散していることが好ましい。つまり、ナノ粒子の第一ポリマー中での分散は、凝集を最小限に抑え、ナノ粒子が第一ポリマー中にほぼ均一に分散するように行われさえすれば、任意の従来の方法で行うことが可能である。
十分に分散したナノ粒子を有する第一絶縁層と、酸化クロム粒子および／または酸化鉄粒子を充填した第二絶縁層とを組み合わせた絶縁システムによって、放電に対する絶縁システムの優れた遮蔽性および抵抗性が得られ、それによって絶縁導電体の寿命がのびる。酸化クロムおよび／または酸化鉄充填剤は、第一絶縁層の表面層における導電性を、コロナ放電による極度に集中した影響を大きな表面全体に分散させるのに十分な程度に向上させ、それによってコロナ放電の影響を大幅に減少させると考えらえる。
さらに、酸化クロムおよび／または酸化鉄を充填したポリマーマトリックスの絶縁システムを有する従来の導電体と比較して、電気絶縁システムの曲げ強度は向上する。導電体と第二電気絶縁層との間に配置されたナノ粒子を含む第一電気絶縁層は、第二絶縁層よりも延性が高いため、電気絶縁システム全体の柔軟性を向上させることができる。
たとえ部分放電が原因で第二絶縁層に亀裂が生じたとしても、第一絶縁層、すなわち導電体と第二絶縁層との間に位置する層によってなお、部分放電に対する高い抵抗性が絶縁システムに与えられるため、ナノ粒子を含む第一電気絶縁層は、酸化クロムおよび／または酸化鉄を含む既知の絶縁システムにおける含有量よりも低い含有量の酸化クロムおよび／または酸化鉄を第二絶縁層に使用することも可能にすることになる。
一実施形態によれば、酸化クロムおよび／または酸化鉄の第二充填剤は、第二電気絶縁層の体積の１０〜４０％、好ましくは第二電気絶縁層の体積の１０〜３０％の量で存在する。これにより、部分放電に対する遮蔽性が向上し、また絶縁システム全体の機械的性能も向上する。
一実施形態によれば、第二充填剤は、平均粒径が０．００５〜３０μｍ、好ましくは０．０１０〜１５μｍ、最も好ましくは０．１５〜１０μｍである。この実施形態によって、部分放電に対する遮蔽性がさらに向上する。
一実施形態によれば、第二充填剤は、１０４〜１０８ｏｈｍ−ｍの抵抗率を有する。
一実施形態によれば、第二ポリマーは、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルアミド、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ、およびポリアミドのポリマーのうちの少なくともひとつである。
一実施形態によれば、第二絶縁層は、厚さが５〜５０μｍである。
一実施形態によれば、第一ポリマーは、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルアミド、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ、およびポリアミドのポリマーのうちの少なくともひとつである。
本発明の一実施形態によれば、ナノ粒子は、二酸化ケイ素（Ｓｉｌｉｃａ、ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌｕｍｉｎａ、Ａｌ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、およびモンモリロナイト（ＭＭＴ）粘土のうちの少なくともいずれかである。
一実施形態によれば、ナノ粒子はポリマーマトリックスにグラフトされる。第一絶縁層のポリマーマトリックス中の、十分に分散し、かつ化学的に結合したナノ粒子によって、部分放電に対する抵抗性がさらに向上するとともに、優れた曲げ強度を有する延性材料が得られる。金属線などの導電体を機械的に変形させる際に、絶縁層内で粒子とポリマーマトリックスとの間に空隙は形成されない。空隙が存在しないことに加えて、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの耐食充填剤を使用することによって、部分放電中の電食が抑制される。
一実施形態によれば、第一絶縁層中のナノ粒子は、第一層の体積の１〜４０％の量で存在する。これにより、部分放電に対する抵抗性が向上し、また絶縁システム全体の機械的性能も向上する。
一実施形態によれば、第一絶縁層中のナノ粒子は、平均粒径が１〜２００ｎｍである。これにより、部分放電に対する抵抗性が向上し、また絶縁システムの機械的性能も向上する。
一実施形態によれば、第一絶縁層は、厚さが２０〜１２０μｍである。
一実施形態によれば、第二絶縁層の厚さは、第一絶縁層の厚さの１０〜２５％、好ましくは１５〜２０％である。この第一絶縁層と第二絶縁層との比率によって、絶縁システムの機械的性質および曲げ強度がさらに向上する。
一実施形態によれば、第二絶縁層は第一絶縁層を包囲しており、第一絶縁層と接触するように第一絶縁層上に直接塗布される。
一実施形態によれば、絶縁システムは、エナメル加工された絶縁システムである。
一実施形態によれば、第一絶縁層と第二絶縁層との間に追加層が配置される。追加層は、例えば、第一層と第二層との間の接着性を向上させるために設けられる。本発明の一実施形態によれば、追加層の厚さは、第一絶縁層または第二絶縁層よりも薄い。
一実施形態によれば、請求項１〜１４のいずれかに記載の導電体を備える巻線またはコイルを有する電気モータが提供される。モータは、好ましくは低電圧電気モータである。一実施形態によれば、電気モータは、低電圧周波数変換制御電気モータである。一実施形態によれば、請求項１〜１４のいずれかに記載の導電体を備える巻線を有する変圧器が提供される。上述した実施形態のいずれかに係る導電体は、部分放電に対する優れた抵抗性を有することが判明したため、導電体のコイルまたは巻線を備える電気モータ、変圧器または他の電気機器の特性も向上することになる。
以下の添付図面を参照して実施形態を叙述することにより、本発明をより詳細に説明する。
図１は、電気的に絶縁された導電体１の断面を示しており、金属線状の導電体が、第一電気絶縁層２を備える電気絶縁システムで包囲されている。第一電気絶縁層２は、十分に分散したシリカナノ粒子を有するポリマーマトリックス（ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｔｒｉｘ）を含む。シリカは、ポリマーマトリックス、例えばポリエステルまたはポリエステルイミド（ＰＥＩ）にグラフトされる。シリカナノ粒子の平均粒径は、１〜２００ｎｍである。
第二電気絶縁層３は、平均粒径が０．１５〜１０μｍの酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）を充填したポリエステルアミドのポリマーマトリックスを含み、第一絶縁層を包囲している。
本実施形態に係る金属線は、円形の断面を有するとともに銅製であるが、断面形状化金属線などの他の形状の導電体や、アルミニウムなどの他の従来の導電体材料を使用してもよい。
コーティングは従来の方法で塗布され、金属線を、複数回にわたり充填剤を充填したワニスを含むコーティング槽に通し、その後絞り用のダイスまたはフェルトを通過させ、さらにコーティングを硬化させるための加熱装置を通過させる。第一層２を導電体１に塗布するためには、通常、金属線を、第一ポリマーのワニスと、十分に分散したナノ粒子とを含むコーティング槽に通した後、後続の絞り工程および加熱工程に供する。これを８〜１２回繰り返して、第一絶縁層のための２０〜１２０μｍの厚さ（図１のｔ２）を得る。
第二絶縁層３は同様の方法で塗布され、第一絶縁層１を有する金属線を、第二ポリマーのワニスと、通常酸化クロムからなる第二充填剤とを含むコーティング槽に通した後、後続の絞り工程および加熱工程に供する。これを２〜３回繰り返して、第二絶縁層のための５〜５０μｍの厚さ（図１のｔ１）を得る。
第一絶縁層２および第二絶縁層３のコーティング層の数は、エナメル線が使用されるモータ上の電圧レベルによって決定される。エナメル線用の絶縁層の全体の厚さは、通常、特定の絶縁グレードとして称される。
図１に係る実施形態では、第一絶縁層２は、ワニスで金属線を被覆することによって金属線上に直接塗布される。しかしながら、導電体と絶縁システムとの間の接着性を向上させるために、中間包囲層を導電体１と第一絶縁層２との間に配置してもよい。
他の例示的実施形態によれば、第三絶縁層（図示せず）が外側に配置され、第二絶縁層３を包囲している。第三層は第二層上に直接塗布することが可能であり、第二絶縁層を機械的に保護する。第三絶縁層は、無充填のポリマーで形成することが可能であり、このポリマーは、第二層と同種、すなわち、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリエステルアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ、およびポリアミドのポリマーうちのいずれかであることが好ましい。
図２のグラフは、属が異なる絶縁コーティングに基づいた、４つの異なるエナメル線の寿命曲線を示している。曲線１は、従来のベースコーティングと、従来のトップコーティングとを有するエナメル線に関するものである。曲線２は、ナノ充填ベースコーティングと、従来のトップコーティングとを有するエナメル線に関するものである。曲線３は、従来のベースコーティングと、コロナ保護トップコーティング、すなわち、酸化クロムおよび／または酸化鉄充填剤を含むコーティングとを有するエナメル線に関するものである。曲線４は、ナノ充填ベースコーティングと、コロナ保護トップコーティングとを有するエナメル線に関するものである。ナノ充填ベースコーティングは、図１に関連して開示されている実施形態に係るコーティングとすることが可能である。寿命曲線は、導電体の直径が１．１２ｍｍであり、５０Ｈｚの交流電圧および１４０℃における絶縁グレードが２（クラス２）であるツイストペア円線が絶縁破壊するまでの時間を計測したものに基づいている。印加される電圧ストレスは、すべてのケースにおいて部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ）を超えている。寿命曲線は、実験データに適合する曲線になっている。
図２の曲線から、本発明の実施形態に係るナノ充填ベースコーティングおよびコロナ保護トップコーティングを有する曲線４のエナメル線が、明らかに最良の耐電圧性能を有していることが分かり、その寿命は、電圧ストレスが減少するにつれて、他のタイプのエナメル線と比較して、より増加している。
また、エナメル線の機械的性質が、従来のベースコーティングおよびコロナ保護トップコーティングを有するエナメル線、すなわちサンプルＢと比較して、ナノ充填ベースコーティングおよびコロナ保護トップコーティングを有するエナメル線、すなわちサンプルＡにおいてより向上していることも曲げ試験において示されている。同様に、ナノ充填ベースコーティングおよび従来のトップコーティングを有するエナメル線、すなわちサンプルＣについても試験を行った。すべてのサンプルは、導電体の直径が１．１２ｍｍであり、絶縁グレードが２（クラス２）であるエナメル円線で構成される。
曲げ試験は、２ｍｍの試験曲げ成形型上でサンプルを曲げて、数回巻きのコイルにすることによって行われた。その後、サンプルを２００℃の加熱炉内に４８時間放置した。放置後にサンプルの表面を検査したところ、サンプルＡおよびサンプルＣではエナメル層の外表面に亀裂は存在しなかったが、サンプルＢではエナメル層の外表面に亀裂が存在したことが分かった。サンプルＡでは、第二絶縁層の下に配置されたナノ充填第一絶縁層が、エナメル層に亀裂が生じにくくなるように絶縁層における機械的ストレスを分散させると考えらえられる。
本発明は、上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で、当業者がこれらの実施形態に複数の方法で変更を加えてもよいことは言うまでもない。したがって、本発明は、上記の２つの実施形態に示されるような円形の断面を有する導線に限定されず、ロッド状、帯状またはバー状の導電体、すなわち、円形または多角の一定断面を有する細長い導電体に適用してもよい。絶縁導電体は、導電体の絶縁体がコロナ放電にさらされる可能性がある、電気モータ、変圧器または他の電気機器用の巻線に使用してもよい。
Claims (19)
- 電気絶縁システムを備える導電体（１）であって、
前記電気絶縁システムは、前記導電体を包囲しており、
前記電気絶縁システムは、前記導電体を包囲する第一電気絶縁層（２）と、前記第一電気絶縁層（２）を包囲する第二電気絶縁層（３）とを含み、
前記第二電気絶縁層（３）は、第二ポリマーと第二充填剤とを含み、
前記第二充填剤は、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、または酸化クロムと酸化鉄の混合物であり、
前記第一電気絶縁層（２）は、第一ポリマーと、分散したナノ粒子を含む第一充填剤とを含み、
前記第一電気絶縁層と前記第二電気絶縁層の間に界面がある、
ことを特徴とする導電体（１）。 - 前記第二充填剤は、前記第二電気絶縁層の体積の１０〜４０％の量で存在する、請求項１に記載の導電体。
- 前記第二充填剤は、前記第二電気絶縁層の体積の１０〜３０％の量で存在する、請求項２に記載の導電体。
- 前記第二充填剤は、平均粒径が０．００５〜３０μｍである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記第二充填剤は、平均粒径が０．０１０〜１５μｍである、請求項４に記載の導電体。
- 前記第二充填剤は、平均粒径が０．１５〜１０μｍである、請求項４に記載の導電体。
- 前記第二充填剤は、１０４〜１０８ｏｈｍ・ｍの抵抗率を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記第二ポリマーは下記ポリマー：ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルアミド、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ、およびポリアミドのうちの少なくとも一つである、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記第二電気絶縁層（３）は、厚さが５〜５０μｍである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記第一ポリマーは下記ポリマー：ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルアミド、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ、およびポリアミドのうちの少なくとも一つである、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記ナノ粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、二酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化マグネシウム、およびモンモリロナイト粘土のうちのいずれかである、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記第一電気絶縁層（２）中の前記ナノ粒子は、前記第一電気絶縁層の体積の１〜４０％の量で存在する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記第一電気絶縁層（２）中の前記ナノ粒子は、平均粒径が１〜２００ｎｍである、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記第一電気絶縁層（２）は、厚さ（ｔ１）が２０〜１２０μｍである、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記第二電気絶縁層（３）の厚さ（ｔ２）は、前記第一電気絶縁層の厚さ（ｔ１）の１０〜２５％である、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の導電体。
- 前記第二電気絶縁層（３）の厚さ（ｔ２）は、前記第一電気絶縁層の厚さ（ｔ１）の１５〜２０％である、請求項１５に記載の導電体。
- 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の導電体を備える巻線またはコイルを有する電気モータ。
- 前記電気モータは、低電圧周波数変換制御電気モータである、請求項１７に記載の電気モータ。
- 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の導電体を備える巻線を有する変圧器。
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