JP6907809B2 - 高アスペクト比を有する絶縁平角導線、その製造方法及びコイル - Google Patents
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Description
電着法は他の方法に比べて均一な膜厚で電線を塗装するのが容易であり、また、焼き付け後に高い防錆力や密着性を持つ絶縁皮膜が形成できることから注目されており、様々な改良がなされている。例えば、このような電着法により絶縁皮膜を形成するための水分散型絶縁皮膜形成用電着液が知られている(例えば、特許文献1参照)。
このため、ポリマーの合成に多様なモノマーを用いることが可能であり、電着液の作製時に熱溶融等の作業が必要なく、容易に、かつ安価に製造することができ、かつ、形成する絶縁皮膜の厚膜化が容易であって、電着液の保存安定性にも優れていると記載されている。
このため、導線の周囲に均一な絶縁皮膜が形成された高アスペクト比を有する絶縁平角導線及びその製造方法が望まれている。
また、ポリアミドイミドの数平均分子量Mnが2.0×10 4 以上4.0×10 4 以下であるため、均一な厚さの絶縁皮膜を構成することができる。
上記絶縁平角導線は、導線の周囲に均一な絶縁皮膜が形成された高アスペクト比を有する絶縁平角導線であるので、これを巻回して得られるコイルの絶縁皮膜間には、隙間ができない。したがって、コイルの絶縁平角導線の占積率を向上できる。
一方、電着液を構成するポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂の数平均分子量Mnが2.0×104未満の場合、ポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂の数平均分子量Mnが小さいため、上記端部に多量の粒子が電着された場合でも、端部の電気抵抗が中央部の電気抵抗よりも高くなりにくい。このため、平角導線の矩形断面の長辺における端部に多量のポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂が電着され、中央部に少量のポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂が電着されることとなり、その結果、導線の周囲に皮膜される絶縁皮膜の膜厚分布が大きくなり、絶縁皮膜が均一になりにくい。また、ポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂の数平均分子量Mnが4.0×104を超えている場合、ポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂の粘度が大きく安定的に合成できない。
これに対し、本発明では、ポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂、極性有機溶媒及び塩基を混合して20℃以上25℃以下で3時間以上撹拌しているので、電着液内において塩基とポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂との中和反応が確実に行われる。これにより、製造されてから時間が経過した場合であっても、電着液が劣化しないので、電着液の保存安定性を高めることができ、例えば、製造後1か月以上経過した電着液であっても、導線の周囲に均一な絶縁皮膜が形成された高アスペクト比を有する絶縁平角導線を好適に製造できる。
ここで、ポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂の粒子が電着された平角導線は、高アスペクト比であることから一般的な導線よりも表面積が大きい。このため、上記平角導線を高温で急激に加熱すると、温度が上がりやすく、平角導線の周囲に電着されたポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂以外の成分(例えば、極性有機溶媒や水)が急激に揮発することにより発泡するおそれがあり、絶縁皮膜の膜厚を均等に保つことが難しい。
これに対し、上記態様では、ポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂を150℃以上220℃以下の低温で0.25分以上30分以下加熱するので、平角導線の周囲に電着されたポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂以外の成分の少なくとも一部を揮発させることができる。そして、上記成分が揮発した後、低温で加熱された平角導線を低温加熱工程の温度より30℃以上高い高温で0.25分以上30分以下加熱するので、高温加熱工程においてポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂以外の成分に基づく発泡を抑制しながら焼付けることができる。これにより、高アスペクト比を有する絶縁平角導線の絶縁皮膜の膜厚をより均等に保つことができる。
[絶縁皮膜平角導線の構成]
本実施形態に係る高アスペクト比を有する絶縁平角導線1は、図2(d)に示すように、平角導線10と、平角導線10の周囲に形成された絶縁皮膜11と、を有する。この絶縁平角導線1は、例えば、巻回されることにより、コイル(図示省略)となる。
平角導線10は、タフピッチ銅又は無酸素銅により形成されている。この平角導線10は、該平角導線10の矩形断面の長辺の長さaと短辺の長さbとの比であるアスペクト比a/bが12以上60以下に設定されている。また、平角導線10は、矩形断面と同じ断面積の丸線に換算したときの直径が0.5mm以上4.5mm以下に設定される。
なお、丸線換算径が0.5mm未満又は4.5mm超であっても本発明の絶縁皮膜は成膜可能であるが、リアクトル、駆動モータ、インダクタ等の車載用コイルに使用する平角導線としては、丸線換算径0.5mm以上4.5mm以下の導線が好適である。
絶縁皮膜11は、ポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂からなり、電着法により平角導線10に形成される皮膜である。この絶縁皮膜11は、平角導線10の矩形断面の長辺中央部の膜厚t1が10μm以上100μm以下であり、長辺中央部の膜厚t1と矩形断面の長辺端部の膜厚t2との膜厚比t1/t2が0.80以上1.35以下である。
なお、長辺中央部の膜厚t1は、長辺中央部における上側及び下側の二か所の平均値であり、長辺端部の膜厚t2は、長辺の両端部における上側及び下側の四か所の平均値である。また、長辺端部の膜厚t2とは、絶縁皮膜11の端部における丸みがなくなり、かつ、平角導線10の長辺と絶縁皮膜11の表面とが平行になり始めた最厚部分をいう。
このため、本実施形態では、絶縁皮膜11を構成するポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂の数平均分子量Mnは、上記範囲に設定されていることから、絶縁皮膜11の厚さを均一にでき、これにより絶縁平角導線1の絶縁性を高めている。
このような絶縁平角導線1の製造方法について説明する。なお、この製造方法では、電着液に含まれる樹脂は、ポリアミドイミド樹脂であることとして説明する。
本製造方法は、電着液を準備する電着液準備工程と、断面円形状の導線を圧延して平角導線を形成する圧延工程と、ポリアミドイミド樹脂の粒子を平角導線の周囲に電着させる電着工程と、ポリイミド樹脂の粒子が電着された平角導線を焼付けることにより平角導線の周囲に絶縁皮膜を形成する焼付工程と、を備えている。
以下、この工程順に説明する。
電着液準備工程では、以下の方法により電着液を製造(準備)する。
まず、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)と、4,4−ジフェニルメタンジイソシアネートと、無水トリメリット酸とを所定の割合で混合して混合液を調製した後、この混合液を40〜60℃に昇温し、この温度で1〜2時間撹拌する。そして、この混合液を170〜180℃まで昇温し、この温度で2〜5時間保持して反応させた後に40〜80℃まで冷却する。これにより、ポリアミドイミド樹脂(PAI)を含む混合液が得られる。次いで、この混合液を極性有機溶媒でさらに希釈し、希釈した混合液に貧溶媒及び塩基を所定量ずつ加えて、室温(20℃以上25℃以下)で3時間以上撹拌する。
ここで、ポリアミドイミド樹脂のカルボキシル基と塩基との中和反応がポリアミドイミド樹脂の数平均分子量Mnが大きくなるほど反応性が低下すると考えられている。このため、本実施形態では、数平均分子量Mnが2.0×104以上4.0×104以下のポリアミドイミド樹脂、極性有機溶媒及び塩基を混合して3時間以上十分に撹拌処理を実行して、製造した電着液の保存安定性の低下を抑制している。
そして、長時間攪拌した混合液を8000〜12000rpmの回転速度で撹拌しながら水を所定量滴下して加えることにより、ポリアミドイミド樹脂の粒子が分散した電着液が得られる。
この電着液中の各成分の割合は、ポリアミドイミド樹脂が1〜10質量%、極性有機溶媒が70〜79質量%、塩基が0.01〜0.1質量%、水が残部である。
圧延工程、電着工程及び焼付工程は、図1に示す電着塗装装置100により行われる。この電着塗装装置100は、円筒状に巻き込まれた断面円形状の導線10a、導線10aを圧延する一対の圧延ローラ106、圧延された導線10aにポリアミドイミド樹脂を電着させる電着槽107及びポリアミドイミド樹脂が電着された導線10aを加熱する焼付炉109を備えている。この導線10aには、直流電源103の正極に接続された陽極104が設けられている。また、直流電源103の負極には、陰極108(電極)が接続され、この電極は、電着槽107の電着液102内に挿入されている。
この導線10aは、矢印105の方向に沿って引き上げられ、各種処理が実行される。
円筒状に巻き込まれた導線10aは、一対の圧延ローラ106により断面平角状に圧延されて、平角状の導線(上記平角導線10)となる。
[電着工程]
そして、平角導線10は、電着液102が充填された電着槽107内を通過する。この電着液102内には、平角導線10が電着槽107内を通過する際に、この平角導線10の周囲を囲むように配置されている。この電着槽107内を通過する際には、上記陽極104からの直流電圧が印加されていることから、平角導線10の表面には、電着液102中に分散されたポリアミドイミド樹脂の粒子が図2(c)に示すように電着される。
なお、電着液102の温度は、5〜60℃の範囲内であることが好ましい。また、直流電圧は、150V以上の範囲内であることが好ましく、通電時間は、5〜60秒の範囲内であることが好ましい。また、直流電圧が上記範囲内に設定されているのは、直流電圧が150V未満であると、平角導線10に電着されたポリアミドイミド樹脂の粒子により形成される湿潤皮膜内の極性溶媒(極性有機溶媒又は水)の量が増え、その後の焼付工程において発泡を抑制できないためである。
ここで、ポリアミドイミド樹脂の数平均分子量Mnが1.0×104の場合(電着液を構成するポリアミドイミド樹脂の数平均分子量Mnが2.0×104未満の場合)、ポリアミドイミド樹脂の両末端にカルボキシル基があると、重量当たりの官能基量は大きくなる。この官能基が極性基として極性溶媒(極性有機溶媒又は水)と相互作用することで、電着後の湿潤皮膜に多くの極性溶媒が取り込まれる。このように極性溶媒を多く含む湿潤皮膜は、図3に示すように、平角導線10の表面に堆積して膜厚が増加しても湿潤皮膜の電気抵抗が大きく上がらず、電着中は平角導線10の端部への電界集中が継続され、平角導線10に電着される湿潤皮膜の形状がいわゆるドックボーン形状となり、これを焼付工程にて加熱しても、絶縁皮膜11の膜厚分布が大きくなる。また、ポリアミドイミド樹脂の数平均分子量Mnが小さいと、湿潤皮膜内の極性溶媒の量が多くなるので、焼付工程において発泡を抑制できない。
これに対し、ポリアミドイミド樹脂の数平均分子量Mnが3.0×104の場合(電着液を構成するポリアミドイミド樹脂の数平均分子量Mnが2.0×104以上4.0×104以下の場合)、ポリアミドイミド樹脂の粒子により形成される湿潤皮膜の膜厚が厚くなるにつれて、湿潤皮膜の電気抵抗が指数関数的に増加する。
このため、電着液102のポリアミドイミド樹脂の数平均分子量Mnは、2.0×104以上4.0×104以下に設定されている。
焼付工程では、電着槽107から引き揚げられた平角導線10は、焼付炉109を通過し、平角導線10に電着されたポリアミドイミド樹脂が平角導線10に焼き付けられて絶縁皮膜11となる。
具体的には、焼付工程は、ポリアミドイミド樹脂の粒子が電着された平角導線10を150℃以上220℃以下の低温で0.25分以上30分以下加熱する低温加熱工程と、低温で加熱された平角導線10を低温加熱工程の温度より30℃以上高い高温で0.25分以上30分以下加熱する高温加熱工程と、を有している。
これに対し、本実施形態では、ポリアミドイミド樹脂を150℃以上220℃以下の低温で0.25分以上30分以下加熱するので、平角導線10の周囲に電着されたポリアミドイミド樹脂以外の成分の少なくとも一部を揮発させることができる。そして、上記成分が揮発した後、低温で加熱された平角導線を低温加熱工程の温度より30℃以上高い高温で0.25分以上30分以下加熱するので、高温加熱工程においてポリアミドイミド樹脂以外の成分に基づく発泡を抑制できる。これにより、絶縁平角導線1の絶縁皮膜11の膜厚をより均等に保つことができる。
なお、低温加熱工程、高温加熱工程共に加熱時間が0.25分未満では平角導線10の周囲に電着されたポリアミドイミド樹脂以外の成分(例えば、極性有機溶媒や水)が十分に揮発せず、絶縁耐圧が低下するおそれがある。一方、低温加熱工程、高温加熱工程共に加熱時間が30分を超えると樹脂が劣化する可能性がある。
上記実施形態の絶縁平角導線1は、平角導線10の周囲に均一な絶縁皮膜が形成された高アスペクト比を有する導線であるので、これを巻回して得られるコイルの絶縁皮膜間に隙間ができることを抑制でき、占積率を向上できる。また、絶縁皮膜の膜厚が10μm以上であるため、高アスペクト比を有する平角導線の絶縁性を高めることができる。
また、絶縁皮膜11を均一な厚さに構成できるので、絶縁平角導線1の絶縁性をより高めることができる。
上記実施形態では、電着液102は、数平均分子量Mnが数平均分子量Mnは、2.0×104以上4.0×104以下のポリアミドイミド樹脂を含むこととしたが、これに限らず、数平均分子量Mnが2.0×104以上4.0×104以下のポリイミド樹脂を含むこととしてもよい。この場合であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
まず、撹拌機、冷却管、窒素導入管及び温度計を備えた2リットルの4つ口フラスコにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)320g(3.23モル)と、4,4−ジフェニルメタンジイソシアネート181g(0.72モル)と、無水トリメリット酸139g(0.72モル)とを混合して混合液を調製し、この混合液を60℃に昇温し、この温度で1時間撹拌した。次いで、この混合液を180℃まで昇温させ、この温度にて2時間保持して反応させた後に、60℃まで冷却した。そして、この冷却した混合液に極性有機溶媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を960g(9.68モル)加えてさらに希釈することにより、表1にそれぞれ示す数平均分子量Mnが3.0×104であり不揮発分が20質量%であるポリアミドイミド(PAI)を含む混合液を得た。
この混合液(PAI:NMP=20質量%:80質量%)2.5gを1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(DMI)でさらに希釈し、次いで、この希釈した混合液に、貧溶媒としての1−メトキシプロパノール(1M2P)0.8gと、塩基としてのトリプロピルアミン(TPA)0.015gとを加えて室温(20℃以上25℃以下)で3時間以上長時間撹拌した。そして、この混合液を高速で撹拌しながら、水1,7gを滴下して加え、ポリアミドイミド樹脂の粒子が分散した電着液を得た。
なお、湿潤皮膜中の溶媒量は、電着直後の皮膜重量から焼付け後の皮膜重量を差し引くことで、電子天秤を用い測定した。この湿潤皮膜中の溶媒量は、他の実施例2〜6、比較例1〜4及び参考例1も同様に測定した。
次に、表面に湿潤皮膜が形成された銅板に焼付処理を行った。具体的には、湿潤皮膜が形成された銅板を210℃で3分加熱した後(低温加熱工程)、300℃で3分加熱した(高温加熱工程)。これにより、表2に示す膜厚の絶縁皮膜が形成された絶縁物を得た。
また、実施例2〜6、比較例1〜4及び参考例1については、それぞれ製造された電着液を用いて、表1に示す電着電圧を上記銅板と鋼板との間に印加することで、表1に示す湿潤皮膜中の溶媒量の湿潤皮膜を形成し、この湿潤皮膜が形成された銅板を表1に示す焼付温度にて加熱した。
このようにして実施例1〜6、比較例1〜4及び参考例1にて得られた電着液及び電着液を用いて得られた絶縁物に対する各種評価を下記手法にて行った。この結果は、表2に示すとおりである。
実施例1〜6、比較例1〜4及び参考例1のそれぞれにおいて調製(製造)した電着液を、室温(20℃以上25℃以下)で一定期間放置した後、沈殿の有無を目視により確認した。
この電着液の保存安定性の評価では、電着液の調製後1か月経過した後も目視では沈殿が全く確認されなかった場合を「A」と判定し、調製後1週間経過した後は沈殿が全く確認されなかったが、調製後1か月経過後では沈殿が確認された場合を「B」と判定し、調製後1週間経過した後に沈殿が確認された場合を「C」と判定した。
実施例1〜6、比較例1〜4及び参考例1のそれぞれにおいて調製(製造)した電着液を用いて製造された絶縁物の表面に形成された絶縁皮膜の膜厚の平均膜厚を測定した。なお、平均膜厚は、銅板の矩形断面の長辺中央部における上側及び下側の二か所、及び長辺両端部における上側及び下側の四か所の算術平均値とした。また、焼付工程において湿潤皮膜の発泡が生じた場合は、適切な絶縁皮膜を得ることができていないため、該絶縁皮膜の膜厚の測定は行わなかった。
実施例1〜6、比較例1〜4及び参考例1のそれぞれの絶縁皮膜の膜厚分布を算出した。この膜厚分布の評価では、銅板の矩形断面の長辺中央部の膜厚t1と矩形断面の長辺端部の膜厚t2との膜厚比t1/t2を記載した。
実施例1〜6、比較例1〜4及び参考例1のそれぞれの絶縁皮膜に対し、絶縁耐圧試験を行った。この絶縁耐圧試験では、絶縁皮膜に電圧を印加して徐々に印加電圧を高め、絶縁性能に異常を生じたときの電圧を測定した。
なお、焼付工程において絶縁皮膜が適切に形成されていない場合は、絶縁耐圧の測定は実行せず、「ND」と評価した。
また、実施例1〜6のいずれも絶縁耐圧が3.5kV以上で十分に高かった。
電着液の保存安定性は、実施例1〜6の全てにおいて高く、1か月以上放置した場合でも、沈殿が全く確認されなかった。これは、電着液の製造工程において長時間攪拌を行っていること、及び、ポリアミドイミド樹脂又はポリイミド樹脂の数平均分子量Mnが2.0×104以上4.0×104以下であることが理由と考えられた。
また、参考例1では、ポリアミドイミド樹脂の数平均分子量Mnが2.0×104以上4.0×104以下であることから絶縁耐圧が良好であるものの、電着液の調製時に長時間攪拌を行っていなかったため、膜厚分布及び電着液の保存安定性が実施例1〜6に対して劣っていた。
10 平角導線
10a 導線
11 絶縁皮膜
100 電着塗装装置
102 電着液
103 直流電源
104 陽極
105 矢印
106 圧延ローラ
107 電着槽
108 陰極
109 焼付炉
Claims (4)
- 矩形断面の長辺の長さaと短辺の長さbとの比であるアスペクト比a/bが12以上である平角導線と、
数平均分子量Mnが2.0×10 4 以上4.0×10 4 以下であるポリアミドイミド樹脂からなり、前記平角導線を被覆する絶縁皮膜と、を備え、
前記絶縁皮膜は、前記矩形断面の長辺中央部の膜厚t1が10μm以上であり、前記長辺中央部の膜厚t1と前記矩形断面の長辺端部の膜厚t2との膜厚比t1/t2が0.80以上1.35以下であることを特徴とする高アスペクト比を有する絶縁平角導線。 - 請求項1に記載の高アスペクト比を有する絶縁平角導線を巻回してなるコイル。
- 請求項1に記載の絶縁平角導線の製造方法であって、
数平均分子量Mnが2.0×104以上4.0×104以下のポリアミドイミド樹脂、極性有機溶媒及び塩基を混合して20℃以上25℃以下で3時間以上撹拌して、これに水を加えた電着液を準備する電着液準備工程と、
前記平角導線を、前記電着液内に浸漬させ、前記電着液内に150V以上の電圧の直流電流を流して前記ポリアミドイミド樹脂の粒子を前記平角導線の周囲に電着させる電着工程と、
前記ポリアミドイミド樹脂が電着された前記平角導線を加熱することにより前記平角導線の周囲に絶縁皮膜を形成する焼付工程と、を備えることを特徴とする高アスペクト比を有する絶縁平角導線の製造方法。 - 前記焼付工程は、前記ポリアミドイミド樹脂の粒子が電着された前記平角導線を150℃以上220℃以下の低温で0.25分以上30分以下加熱する低温加熱工程と、前記低温で加熱された前記平角導線を前記低温加熱工程の温度より30℃以上高い高温で0.25分以上30分以下加熱する高温加熱工程と、を有することを特徴とする請求項3に記載の高アスペクト比を有する絶縁平角導線の製造方法。
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