KR20230041098A

KR20230041098A - 레진 제조 방법 및 절연 구조 제조 방법

Info

Publication number: KR20230041098A
Application number: KR1020237005813A
Authority: KR
Inventors: 유 야마시타; 데쓰오 요시미쓰; 고타로 무라; 다카히로 이마이
Original assignee: 도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2023-03-23
Also published as: JP7123265B2; EP4207562A1; WO2022044420A1; US20230399504A1; CN116157877A; JPWO2022044420A1

Abstract

레진 제조 방법은, 도전체의 외주부에 형성되는 절연 구조에 함침되는 레진을 제조하는 방법이다. 레진 제조 방법은, 에폭시 수지와, 에폭시 수지와 반응함으로써 에폭시 수지의 점도를 저하시키는 반응성 희석제에 나노필러가 분산된 분산액을 혼합하는 분산액 혼합 공정과, 분산액 혼합 공정에 의해 생성된 조성물과, 에폭시 수지를 경화시키는 경화제를 혼합하는 경화제 혼합 공정을 포함한다. 에폭시 수지는, 예를 들어, 지환식 에폭시 수지를 포함한다.

Description

레진 제조 방법 및 절연 구조 제조 방법

본 발명은, 레진 제조 방법 및 절연 구조 제조 방법에 관한 것이다.

전동기, 발전기 등의 회전 전기(電機; electric machine)에 이용되는 코일에는, 코일 내의 도전체에 흐르는 전류가 외부로 누설되는 것을 방지하는 절연 구조가 마련된다.

상기와 같은 절연 구조로서, 도전체의 외주부에 마이카 등을 포함하는 절연 테이프를 권회하고, 절연 테이프 내의 공간에 금속 산화물 등으로 이루어지는 필러를 포함하는 레진을 함침시키는 구조가 알려져 있다. 필러는, 절연 테이프 내에 생긴 전기 트리(tree)의 진전을 억제하여, 절연 성능을 향상시키도록 기능한다.

미국 특허출원공개 제2013/0131218호 명세서

상기와 같은 필러에 의한 전기 트리의 진전 억제 효과는, 필러의 분산성에 크게 의존한다. 필러의 분산성이 낮으면 절연 구조 내에서 필러가 응집하여, 전기 트리가 진전하기 쉬운 영역(수지만의 영역)이 증가하기 때문에, 전기 트리의 진전 억제 효과가 작아진다.

또한, 필러를 포함하는 레진의 점도는, 절연 구조의 생산성에 크게 영향을 준다. 예를 들어, 레진의 점도가 의도하지 않게 증가하면, 레진을 절연 테이프 등에 함침시키는 작업이 곤란해진다.

상기와 같이, 고성능인 절연 구조를 효율적으로 제조하기 위해서는, 필러의 분산성 및 점도의 안정성이 높은 레진을 제조하는 것이 중요해진다.

그래서, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 고성능인 절연 구조를 효율적으로 제조할 수 있도록 하는 레진 제조 방법 및 절연 구조 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 태양은, 도전체의 외주부에 형성되는 절연 구조에 함침되는 레진을 제조하는 방법으로서, 에폭시 수지와, 에폭시 수지와 반응함으로써 에폭시 수지의 점도를 저하시키는 반응성 희석제에 나노필러가 분산된 분산액을 혼합하는 분산액 혼합 공정과, 분산액 혼합 공정에 의해 생성된 조성물과, 에폭시 수지를 경화시키는 경화제를 혼합하는 경화제 혼합 공정을 포함하는 레진 제조 방법이다.

도 1은, 실시형태에 따른 회전 전기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는, 실시형태에 따른 절연 코일의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은, 실시형태에 따른 절연 코일의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는, 실시형태에 따른 주절연 테이프의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는, 실시형태에 따른 주절연부의 내부 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은, 실시형태에 따른 나노필러에 의한 효과를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은, 실시형태에 따른 절연 코일의 절연 구조의 제조 방법에 있어서의 수순을 나타내는 플로차트이다.
도 8은, 실시형태에 따른 절연 구조의 제조 방법에서 사용되는 함침 장치의 전반 단계에 있어서의 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는, 실시형태에 따른 절연 구조의 제조 방법에서 사용되는 함침 장치의 후반 단계에 있어서의 상태를 나타내는 도면이다.
도 10은, 실시형태에 따른 레진의 제조 방법에 있어서의 수순을 나타내는 플로차트이다.
도 11은, 실시형태에 따른 레진을 이용하여 형성된 함침부로부터 적출한 시험편을 투과형 현미경으로 관찰한 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는, 도 11에 나타내는 결과의 일부를 10배로 확대한 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은, 비교예에 따른 레진의 제조 방법에 있어서의 수순을 나타내는 플로차트이다.
도 14는, 비교예에 따른 레진을 이용하여 형성된 함침부로부터 적출한 시험편을 투과형 현미경으로 관찰한 결과를 나타내는 도면이다.
도 15는, 도 14에 나타내는 결과의 일부를 10배로 확대한 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은, 비교예에 따른 나노필러에 의한 효과를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 17은, 실시형태에 따른 레진의 점도의 경시적 변화와 비교예에 따른 레진의 점도의 경시적 변화를 비교하는 그래프이다.
도 18은, 실시형태에 따른 레진을 이용하여 제조한 절연 구조의 전계(電界)-시간 특성과, 제1 비교예에 따른 레진을 이용하여 제조한 절연 구조의 전계-시간 특성과, 제2 비교예에 따른 레진을 이용하여 제조한 절연 구조의 전계-시간 특성을 비교하는 그래프이다.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 본 명세서에 있어서, 실시형태에 따른 구성 요소 및 당해 요소의 설명이, 복수의 표현으로 기재되는 경우가 있다. 구성 요소 및 그 설명은, 일례이며, 본 명세서의 표현에 의해 한정되지 않는다. 구성 요소는, 본 명세서에 있어서의 것과는 상이한 명칭으로도 특정될 수 있다. 또한, 구성 요소는, 본 명세서의 표현과는 상이한 표현에 의해서도 설명될 수 있다.

＜회전 전기의 구성＞

도 1은, 실시형태에 따른 회전 전기(1)의 구성을 나타내는 단면도이다.

회전 전기(1)는, 회전자(10) 및 고정자(20)를 갖는다. 회전 전기(1)는, 예를 들어, 전동기, 발전기 등의 구성 요소가 되는 것이다.

회전자(10)는, 로터 샤프트(11) 및 회전자 철심(12)을 갖는다. 로터 샤프트(11)는, 그 양단 부근이 베어링(5)에 의해 회전 가능하게 축 방향으로 지지되어 있다. 베어링(5)은, 회전 전기(1)의 외곽을 구성하는 프레임(6)과 일체로 마련된 베어링 브래킷(7)에 고정되어 있다. 회전자 철심(12)은, 로터 샤프트(11)의 외주면에 고정되어, 로터 샤프트(11)와 함께 회전한다.

고정자(20)는, 고정자 철심(21) 및 절연 코일(22)을 갖는다. 고정자 철심(21)은, 회전자 철심(12)의 직경 방향 외측에 간격을 두어 배치되어 있다. 절연 코일(22)은, 고정자 철심(21)에 조립되어 회전 전기(1)에 필수가 되는 자계(磁界)를 발생시키는 부재이며, 그 외주부에는 후술하는 절연 구조가 마련되어 있다. 절연 코일(22)은, 고정자 철심(21) 내를 관통하도록 조립된다.

＜절연 코일의 구성＞

도 2는, 실시형태에 따른 절연 코일(22)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 3은, 실시형태에 따른 절연 코일(22)의 구성을 나타내는 단면도이다.

절연 코일(22)은, 적층 도체(31)(도전체), 턴 절연부(33), 및 주절연부(35)를 갖는다. 턴 절연부(33) 및 주절연부(35)에 의해, 절연 코일(22)의 절연 구조가 구성된다.

적층 도체(31)는, 복수의 도선(31A)이 적층되어 구성되어 있다. 본 실시형태에 따른 적층 도체(31)는, 14개(적층수 7, 열수 2)의 도선(31A)이 묶여져 구성되어 있다. 한편, 적층 도체(31)의 구성은 이것으로 한정되는 것은 아니고, 사용 상황에 따라서 적절히 설계되어야 할 것이다. 적층 도체(31)는, 예를 들어, 14개보다 많은 도선(31A)으로 구성되어도 되고, 1개의 도선(31A)만을 적층하여 구성되어 있어도 된다.

각 도선(31A)의 외면에는, 턴 절연부(33)가 마련되어 있다. 그 결과, 적층 도체(31)의 외면은, 턴 절연부(33)에 의해 덮인 상태가 된다. 턴 절연부(33)의 외측에는, 주절연부(35)가 마련되어 있다. 주절연부(35)는, 주절연 테이프(40)(테이프상 부재)가 권회되는 것에 의해 구성되어 있다.

본 실시형태에 따른 주절연 테이프(40)는, 하프 랩 방식에 의해 나선상으로 권회되어 있다. 주절연 테이프(40)의 폭을 W로 할 때, 나선의 피치는 W/2가 된다. 즉, 주절연 테이프(40)는, 전회의 턴에서 감겨진 주절연 테이프(40)와 반분 겹치도록 권회되어 있다. 적층 도체(31)의 긴 방향 전체로의 권회가 대략 완료된 후, 추가로 그 위에 겹치도록 주절연 테이프(40)를 권회해도 된다. 이것에 의해, 주절연 테이프(40)를 다층상으로 형성할 수 있다. 주절연 테이프(40)의 층수가 증가할수록 절연 성능을 향상시킬 수 있다. 주절연 테이프(40)의 권회수는 요구되는 절연 성능 등에 따라 적절히 선택되면 된다.

도 4는, 실시형태에 따른 주절연 테이프(40)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.

주절연 테이프(40)는, 주절연층(41), 섬유 강화층(42), 및 중합체층(43)을 갖는다.

주절연층(41)은, 비도전성의 재료로 구성되고, 주절연 테이프(40)의 절연 기능을 실현하기 위한 주요한 부분이다. 섬유 강화층(42)은, 주절연층(41)을 지지하여, 주절연 테이프(40) 전체로서의 강도를 확보하는 기능을 갖는 부분이다. 중합체층(43)은, 접합용 고분자를 포함하고, 섬유 강화층(42)에 침투하여, 섬유 강화층(42)과 주절연층(41)을 접합시키는 기능을 갖는 부분이다.

주절연층(41)은, 예를 들어, 마이카, 석면, 자기 분말 등의 무기질을 주성분으로서 포함한다. 섬유 강화층(42)은, 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스터 섬유 등을 주성분으로서 포함하고, 통상은 그물코 모양으로 짜여져 있다. 또한, 섬유 강화층(42)은, 섬유에 한정하지 않고, 부직포로서 구성되는 경우나, 폴리에스터, 폴리이미드 등의 고분자 필름으로 구성되는 경우도 있다. 중합체층(43)은, 예를 들어, 불포화 폴리에스터 수지, 에폭시 수지 등을 주성분으로서 포함한다.

주절연층(41)의 두께는, 예를 들어, 100μm 정도이다. 섬유 강화층(42)의 두께는, 주절연층(41)보다 얇고, 예를 들어, 30μm 이하 정도인 경우가 많다. 한편, 도 4에 있어서는, 주절연 테이프(40)의 구성 요소로서 중합체층(43)이 도시되어 있지만, 중합체층(43)은 섬유 강화층(42)에 침입하기 때문에, 중합체층(43)만의 두께는 거의 존재하지 않는다. 따라서, 주절연층(41)과 섬유 강화층(42)은, 통상 서로 거의 접한 상태가 된다. 주절연 테이프(40)는, 통상은, 주절연층(41)을 절연 대상인 적층 도체(31)에 대면시키고, 섬유 강화층(42)을 외측으로 하여 권회되지만, 그 반대의 경우도 있다.

＜주절연부의 내부 구조＞

도 5는, 실시형태에 따른 주절연부(35)의 내부 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 5에 있어서, 적층 도체(31)(도선(31A))의 긴 방향을 따른 단면이 나타나 있다. 도 5는, 주절연 테이프(40)의 권회가 2회 이루어져, 주절연부(35)에 제1회째의 권회에 의한 테이핑층 A와 제2회째의 권회에 의한 테이핑층 B가 포함되는 경우를 나타내고 있다.

주절연부(35)는, 주절연층(41) 및 함침부(50)를 갖는다. 테이핑층 A 및 테이핑층 B의 각각에 있어서, 긴 방향으로 서로 인접하는 주절연층(41)끼리는, 폭의 반분씩 서로 겹치고 있다. 이것은 상기 하프 랩 방식의 감는 방법에 의한 것이다.

함침부(50)는, 주절연층(41)과 섬유 강화층(42)을 접합시키는 중합체층(43) 또는 그 주위에, 나노필러(55)를 포함하는 레진이 침투하여 형성된 부분이다. 도 5에 있어서는, 섬유 강화층(42) 또는 그 주위에 침입하여 형성된 중합체층(43)을 강조하기 위해서, 주절연층(41)의 두께가 얇게 표현되고, 섬유 강화층(42)을 나타내는 선이 생략되어 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 주절연층(41)의 주위는, 나노필러(55)가 분산된 함침부(50)(중합체층(43))로 덮인 상태가 된다. 또한, 나노필러(55)를 포함하는 레진은, 주절연층(41)의 내부에도 침투하고 있지만, 도 5에서는 그 표현이 생략되어 있다.

나노필러(55)는, 비도전성의 나노오더의 입자이며, 예를 들어, 금속 산화물을 포함하는 입자이다. 나노필러(55)의 입경은, 50nm 이하인 것이 바람직하다. 나노필러(55)를 구성하는 구체적인 물질예에 대해서는 후술한다.

도 6은, 실시형태에 따른 나노필러(55)에 의한 효과를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 6에 있어서, 함침부(50)에 전기 트리(T)가 발생하고 있는 상태가 나타나 있다. 전기 트리(T)는, 적층 도체(31)와 고정자(20)에 가해지는 전압에 의해 생기는 전기적인 열화 현상이다. 전기 트리(T)가 진전하여 주절연부(35)의 표층부에까지 도달하면, 절연 파괴가 일어나, 회전 전기(1)는 그 운전을 정지하게 된다.

함침부(50) 내에 분산되어 있는 나노필러(55)는, 전기 트리(T)의 직선적인 진전을 억제하여, 전기 트리(T)의 진전 속도를 저하시키는 진전 억제 효과를 갖는다. 이것에 의해, 주절연부(35)의 절연 성능을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 진전 억제 효과는, 나노필러(55)의 함유량뿐만 아니라, 분산성에 강하게 의존하여 변화한다. 진전 억제 효과는, 함침부(50) 내에 있어서의 나노필러(55)의 분산성(분산의 균일성)이 높을수록 커진다. 따라서, 진전 억제 효과(절연 성능)를 향상시키기 위해서는, 나노필러(55)의 분산성이 높은 레진을 사용하는 것이 중요해진다.

＜절연 구조의 제조 방법＞

도 7은, 실시형태에 따른 절연 코일(22)의 절연 구조의 제조 방법에 있어서의 수순을 나타내는 플로차트이다. 도 8은, 실시형태에 따른 절연 구조의 제조 방법에서 사용되는 함침 장치(60)의 전반 단계에 있어서의 상태를 나타내는 도면이다. 도 9는, 실시형태에 따른 절연 구조의 제조 방법에서 사용되는 함침 장치(60)의 후반 단계에 있어서의 상태를 나타내는 도면이다.

먼저, 적층 도체(31)에 주절연 테이프(40)를 권회하여(도 2 참조), 레진 함침 전의 절연 코일(22)을 형성한다(S101). 그 후, 레진 함침 전의 절연 코일(22)을, 고정자 철심(21) 내에 삽입하여 조립하여, 고정자 유닛(90)(도 8 참조)을 형성한다(S102). 그 후, 함침 장치(60) 내에 고정자 유닛(90)을 설치하고(S103), 함침 장치(60) 내를 진공 흡인한다(S104).

도 8에 나타내는 바와 같이, 함침 장치(60)는, 용기(61), 배기 배관(62), 배기 밸브(62A), 공급 배관(63), 공급 밸브(63A), 및 처리조(64)를 갖는다. 스텝 S103에 있어서, 용기(61) 내에 재치된 처리조(64) 내에 고정자 유닛(90)이 설치된다. 그 후, 스텝 S104에 있어서, 용기(61) 내가 진공 흡인된다. 진공 흡인을 행할 때에는, 공급 밸브(63A)를 닫고, 배기 배관(62)에 접속된 흡인 장치에 의해 용기(61) 내의 공기를 흡인한다. 이 결과, 절연 코일(22)의 내부는, 턴 절연부(33) 및 그 주위에 권회된 주절연 테이프(40) 내의 공간도, 모두 진공 상태가 된다.

상기와 같이 진공 흡인을 행한 후, 도 9에 나타내는 바와 같이, 처리조(64)내의 고정자 유닛(90)을 레진(47)으로 침지한다(S105). 이 때, 배기 밸브(62A)를 닫고, 공급 배관(63)으로부터 처리조(64) 내에 레진(47)을 공급한다. 레진(47)은, 고정자 유닛(90) 전체가 침지되도록 공급된다.

상기와 같이 레진(47)으로 고정자 유닛(90)을 침지한 후, 함침 장치(60)(용기(61)) 내를 가압한다(S106). 가압은, 도 9에 나타내는 바와 같이, 공급 밸브(63A)를 열고, 공급 배관(63)으로부터 용기(61) 내에 가압 가스(65)를 공급하는 것에 의해 행해진다. 가압 가스(65)는, 레진(47)과 반응하지 않는 물질인 것이 바람직하고, 예를 들어, 질소 가스, 건조 공기 등의 불활성 가스인 것이 바람직하다. 이와 같이 용기(61) 내를 가압하는 것에 의해, 나노필러(55)를 포함하는 레진(47)이 절연 코일(22)의 턴 절연부(33) 및 주절연 테이프(40) 내에 함침된다.

그 후, 함침 장치(60)로부터 고정자 유닛(90)을 꺼내고(S107), 주절연 테이프(40)를 포함하는 절연 코일(22)의 내부에 함침된 레진(47)을 고화시킨다(S108). 레진(47)을 고화시키는 방법은, 이용하는 에폭시 수지의 성질에 따라서 결정되지만, 예를 들어, 열경화성 에폭시 수지를 이용하는 경우에는, 고정자 유닛(90)을 소정 온도의 건조로 내에 소정 시간 수용하는 방법 등이 행해져, 최종적으로 고정자(20)가 된다(도 1 참조). 그 후, 고정자(20)는, 외곽을 구성하는 프레임(6)에 장착된다. 한편, 회전 전기(1)의 사양에 따라서는, 프레임(6)에 미리 장착된 고정자 철심(21) 내에 절연 코일(22)을 조립하는 경우도 있다. 이 경우, 프레임(6)과 고정자 철심(21)과 절연 코일(22)이 조립된 것을 고정자 유닛(90)으로서 취급한다.

＜레진의 제조 방법＞

이하에, 주절연 테이프(40) 내에 함침시키는 레진(47)의 제조 방법에 대해 설명한다. 전술한 바와 같이, 나노필러(55)에 의한 전기 트리(T)의 진전 억제 효과(주절연부(35)의 절연 성능)를 향상시키기 위해서는, 주절연 테이프(40) 내에 나노필러(55)가 높은 분산성(균일성)으로 분산된 함침부(50)를 형성하는 것이 필요하다. 그리고, 그와 같은 함침부(50)를 형성하기 위해서는, 나노필러(55)의 분산성이 높은 레진(47)을 제조하여 사용하는 것이 중요해진다.

본 실시형태에 따른 레진(47)은, 에폭시 수지, 나노필러, 반응성 희석제, 및 산무수물계 경화제(경화제)를 혼합시켜 생성되는 조성물이다.

에폭시 수지는, 탄소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어지는 3원환을 1분자 중에 2개 이상 포함하여 경화될 수 있는 화합물을 포함한다. 에폭시 수지는, 예를 들어, 비스페놀 A 에폭시 수지, 지환식 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 바이페닐형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 노볼락형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지 등을 주성분으로서 포함한다. 에폭시 수지는, 이들 화합물을 단독으로 포함해도 되고, 2종 이상 포함해도 된다. 특히, 에폭시 수지는, 반응성 희석제와의 화학 친화성의 관점에서, 지환식 에폭시 수지를 포함하는 것이 바람직하다.

나노필러는, 비도전성의 금속 산화물 등을 포함한다. 나노필러는, 예를 들어, 알루미나, 실리카, 산화 타이타늄, 산화 마그네슘, 삼산화 비스무트, 이산화 세륨, 일산화 코발트, 산화 구리, 삼산화 철, 산화 홀뮴, 산화 인듐, 산화 망간, 산화 주석, 산화 이트륨, 산화 아연 등을 주성분으로서 포함한다. 나노필러는, 이들 화합물을 단독으로 포함해도 되고, 2종 이상 포함해도 된다. 나노필러의 표면은, 에폭시 수지 중에서의 분산성의 향상, 재응집의 방지, 접착성의 향상 등을 목적으로 하여, 커플링제에 의해 개질되어도 된다.

반응성 희석제는, 에폭시 수지와 반응함으로써 에폭시 수지의 점도를 저하시키는 것이다. 반응성 희석제는, 분자 골격에 반응기를 가짐으로써, 열경화성 수지 조성물의 경화물에 있어서의 골격의 일부가 될 수 있는 화합물을 포함한다. 반응성 희석제는, 예를 들어, 뷰틸 글라이시딜 에터, 1,4-뷰테인다이올 다이글리시딜 에터, 알킬렌 모노글라이시딜 에터, 알킬페놀 모노글라이시딜 에터, 폴리프로필렌 글라이콜 다이글리시딜 에터, 알킬렌 다이글리시딜 에터, 네오펜틸 글라이콜 다이글리시딜 에터, 1,6-헥세인다이올 다이글리시딜 에터, 1,12-도데케인다이올 다이글라이시딜 에터, o-크레질 글라이시딜 에터, 1,2-에폭시테트라데케인 등을 주성분으로서 포함한다. 반응성 희석제는, 이들 화합물을 단독으로 포함해도 되고, 2종 이상 포함해도 된다. 특히, 반응성 희석제는, 에폭시 수지에 지환식 에폭시 수지가 포함되는 경우에는, 뷰틸 글라이시딜 에터를 포함하는 것이 바람직하다.

산무수물계 경화제는, 예를 들어, 4-메틸헥사하이드로무수프탈산, 헥사하이드로무수프탈산, 테트라하이드로무수프탈산, 4-메틸테트라하이드로무수프탈산, 테트라브로모무수프탈산, 무수나딕산, 무수메틸나딕산, 무수트라이멜리트산, 무수피로멜리트산, 무수메틸하이믹산 등을 주성분으로서 포함한다. 산무수물계 경화제는, 이들 화합물을 단독으로 포함해도 되고, 2종 이상 포함해도 된다.

한편, 레진(47)을 건조로 등에서 고화(경화)시키는 공정에 있어서의 반응을 빠르게 하기 위해서, 경화 촉진제를 사용해도 된다. 경화 촉진제는, 예를 들어, 에폭시 화합물과 산무수물계 경화제의 가교 반응을 가속할 수 있는 화합물을 포함한다. 경화 촉진제는, 예를 들어, 금속 킬레이트 화합물, 암모늄 이온 화합물, 이미다졸 화합물 등을 주성분으로서 포함한다. 경화 촉진제는, 이들 화합물을 단독으로 포함해도 되고, 2종 이상 포함해도 된다.

레진(47)은, 예를 들어, 에폭시 수지, 나노필러, 반응성 희석제, 및 산무수물계 경화제를 하기 비율로 포함한다.

에폭시 수지: 30wt% 내지 60wt% (1)

산무수물계 경화제: 30wt% 내지 60wt% (2)

반응성 희석제: 5wt% 내지 30wt% (3)

나노필러: (1) 내지 (3)의 혼합물 전체에 대해 2wt% 내지 30wt%

도 10은, 실시형태에 따른 레진(47)의 제조 방법에 있어서의 수순을 나타내는 플로차트이다.

먼저, 반응성 희석제에 나노필러가 분산된 분산액을 준비한다(S201). 그 후, 에폭시 수지와 스텝 S201에서 준비된 분산액을 혼합한다(분산액 혼합 공정: S202). 그 후, 스텝 S202에 의해 생성된 조성물과 산무수물계 경화제를 혼합한다(경화제 혼합 공정: S203). 그리고, 스텝 S203에 의해 생성된 조성물을 레진(47)으로서 수집한다(S204).

상기와 같이 제조된 레진(47)은, 전술한 바와 같이, 절연 코일(22)에 권회된 주절연 테이프(40) 내의 공간에 함침되는 레진(47)으로서 사용된다.

한편, 상기에 있어서는, 경화 촉진제를 사용하는 공정에 대해 나타내지 않지만, 필요에 따라서 경화 촉진제를 사용해도 된다.

＜나노필러의 분산성에 대한 평가＞

이하에, 본 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 제조된 레진(47)을 주절연 테이프(40)에 함침시켰을 경우에 있어서의 함침부(50) 내의 나노필러(55)의 분산성에 대해 평가한다.

도 11은, 실시형태에 따른 레진(47)을 이용하여 형성된 함침부(50)로부터 적출한 시험편을 투과형 현미경으로 관찰한 결과를 나타내는 도면이다. 도 12는, 도 11에 나타내는 결과의 일부를 10배로 확대한 결과를 나타내는 도면이다.

여기에서는, 실리카를 주성분으로 하는 나노필러(55)가 상기 (1) 내지 (3)의 혼합물 전체에 대해서 약 5wt%의 비율로 포함되는 경우를 예시하고 있다. 도 11 및 도 12에는, 나노필러(55)의 응집은 거의 보이지 않고, 15nm 정도의 입경의 나노필러(55)가 균일하게 분산되어 있는 상태가 나타나 있다. 나노필러(55)가 이와 같이 높은 분산성으로 분산되어 있는 것에 의해, 도 6에 나타내는 바와 같이, 전기 트리(T)의 진전 억제 효과가 높은 레벨로 실현된다.

여기에서, 본 실시형태에 따른 레진(47)을 이용했을 경우와 비교예에 따른 레진을 이용했을 경우를 비교한다.

도 13은, 비교예에 따른 레진의 제조 방법에 있어서의 수순을 나타내는 플로차트이다.

비교예에 따른 제조 방법에 있어서는, 먼저, 에폭시 수지에 나노필러를 혼합한다(S301). 이 혼합은, 통상, 플래니터리 믹서(유성식 교반기), 3본롤 믹서, 비즈 밀 교반기 등을 이용하여 행해진다. 그 후, 스텝 S301에 의해 생성된 조성물(혼합물)에 반응성 희석제를 혼합한다(S302). 그 후, 스텝 S302에 의해 생성된 조성물에 산무수물계 경화제를 혼합한다(S303). 그리고, 스텝 S303에 의해 생성된 조성물을 레진으로서 수집한다(S204).

상기 비교예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 레진을 주절연 테이프에 본 실시형태와 마찬가지로 함침시켜 함침부를 형성하여, 당해 함침부 내의 나노필러의 분산성을 평가한다.

도 14는, 비교예에 따른 레진을 이용하여 형성된 함침부로부터 적출한 시험편을 투과형 현미경으로 관찰한 결과를 나타내는 도면이다. 도 15는, 도 14에 나타내는 결과의 일부를 10배로 확대한 결과를 나타내는 도면이다.

도 14 및 도 15에는, 나노필러가 응집하여 클러스터화되어 있는 상태가 나타나 있다. 또한, 클러스터의 단경 또는 장경은, 수 10nm 내지 수 100nm에 이르고 있는 것을 간파할 수 있다.

도 16은, 비교예에 따른 나노필러(101)에 의한 효과를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 16에 나타내는 바와 같이, 비교예에 따른 나노필러(101)는 클러스터화하고 있기 때문에, 함침부(111) 내에는 나노필러(101)가 존재하지 않는 비존재 영역(수지만의 영역)이 비교적 넓게 형성되어 버린다. 전기 트리(T)는, 이와 같은 비존재 영역을 따라서 보다 직선적으로 진전하기 쉽다. 그 때문에, 나노필러(101)에 의한 전기 트리(T)의 진전 억제 효과는, 도 6에 나타내는 바와 같은 본 실시형태에 따른 레진(47)을 이용했을 경우에 비해 작아진다.

＜레진의 점도의 안정성에 대한 평가＞

이하에, 본 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 제조된 레진(47)의 점도의 안정성에 대해 평가한다.

나노필러(55)를 포함하는 레진(47)의 점도는, 시간 경과에 수반하여 증가한다. 예를 들어, 열경화성의 에폭시 수지를 이용한 레진(47)의 경우, 경화 온도보다 낮은 환경하여도, 시간 경과에 수반하여 서서히 점도가 증가해 나가, 어떤 한계치를 초과하면, 이미 사용할 수 없게 된다. 이하, 레진(47)의 제조 후, 상기 한계치에 이를 때까지의 기간을 포트 라이프라고 한다. 일단 준비한 레진(47)은, 최대한 많은 회전 전기(1)의 고정자 유닛(90)을 처리할 수 있는 것이 경제적으로 바람직하다. 그 때문에, 포트 라이프는 최대한 긴 것이 바람직하다. 즉, 이와 같은 의도하지 않는 점도 증가의 속도는, 가능한 한 느린 것이 바람직하다. 레진(47)의 점도의 경시적 변화의 경향은, 레진(47)에 포함되는 나노필러(55)의 분산성에 의존하여 변화한다.

도 17은, 실시형태에 따른 레진(47)의 점도의 경시적 변화와 비교예에 따른 레진의 점도의 경시적 변화를 비교하는 그래프이다.

도 17 중, 하방에 위치하는 4개의 선 A1, A2, A3, A4는, 본 실시형태에 따른 레진(47)의 점도의 경시적 변화를 나타내고 있다. 여기에서 예시하는 레진(47)은, 에폭시 수지로서 지환식 에폭시 수지, 산무수물계 경화제로서 산무수물 테트라하이드로무수프탈산, 반응성 희석제로서 알킬렌 모노글라이시딜 에터, 나노필러(55)로서 산화 타이타늄을 이용하여, 도 10에 나타내는 제조 방법에 의해 제조되고, 지환식 에폭시 수지:산무수물 테트라하이드로무수프탈산:알킬렌 모노글라이시딜 에터≒40:40:15.5(wt%)로 혼합되고, 이 혼합물에 입경 15nm 정도의 산화 타이타늄이 5wt%, 10wt%, 15wt%, 20wt%의 비율로 포함되는 것이다. 선 A1은 산화 타이타늄(나노필러(55))의 함유량이 5wt%인 경우, 선 A2는 산화 타이타늄의 함유량이 10wt%인 경우, 선 A3은 산화 타이타늄의 함유량이 15wt%인 경우, 선 A4는 산화 타이타늄의 함유량이 20wt%인 경우를 나타내고 있다.

도 17 중, 상방에 위치하는 4개의 선 B1, B2, B3, B4는, 비교예에 따른 레진의 점도의 경시적 변화를 나타내고 있다. 여기에서 예시하는 레진은, 에폭시 수지로서 지환식 에폭시 수지, 산무수물계 경화제로서 산무수물 테트라하이드로무수프탈산, 반응성 희석제로서 알킬렌 모노글라이시딜 에터, 나노필러(55)로서 산화 타이타늄을 이용하여 도 13에 나타내는 제조 방법에 의해 제조되고, 지환식 에폭시 수지:산무수물 테트라하이드로무수프탈산:알킬렌 모노글라이시딜 에터≒40:40:15.5(wt%)로 혼합되고, 이 혼합물에 입경 10nm 내지 수 100nm 정도의 산화 타이타늄이 5wt%, 10wt%, 15wt%, 20wt%의 비율로 포함되는 것이다. 선 B1은 산화 타이타늄(나노필러)의 함유량이 5wt%인 경우, 선 B2는 산화 타이타늄의 함유량이 10wt%인 경우, 선 B3은 산화 타이타늄의 함유량이 15wt%인 경우, 선 B4는 산화 타이타늄의 함유량이 20wt%인 경우를 나타내고 있다.

도 17에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 레진(47)의 점도의 시간 경과에 수반하는 증가는, 비교예에 따른 레진보다 완만하다. 이것은, 비교예에 따른 레진에 있어서는 나노필러가 응집하여 클러스터화되어 있는 데 반해, 본 실시형태에 따른 레진(47)에 있어서는 나노필러(55)가 균일하게 분산되어 있는 것에 기인한다. 이와 같이, 본 실시형태에 따른 제조 방법에 의하면, 장기간에 걸쳐서 저점도를 유지할 수 있기 때문에, 가사 수명(포트 라이프)이 긴 레진(47)을 제공하는 것이 가능해진다.

＜절연 수명에 대한 평가＞

이하에, 본 실시형태에 따른 제조 방법에 의해 제조된 레진(47)을 이용하여 제조한 절연 구조의 절연 수명에 대해 평가한다.

도 18은, 실시형태에 따른 레진(47)을 이용하여 제조한 절연 구조의 전계-시간 특성과, 제1 비교예에 따른 레진을 이용하여 제조한 절연 구조의 전계-시간 특성과, 제2 비교예에 따른 레진을 이용하여 제조한 절연 구조의 전계-시간 특성을 비교하는 그래프이다.

도 18에 있어서, 선 A는, 본 실시형태에 따른 레진(47)(도 17의 선 A1에 대응하는 것)을 이용하여 제조한 절연 구조의 전계-시간 특성을 나타내고 있다. 선 B는, 제1 비교예에 따른 레진(도 13에 나타내는 제조 방법에 의해 제조한 레진: 도 17의 선 B1에 대응하는 것)을 이용하여 제조한 절연 구조의 전계-시간 특성을 나타내고 있다. 선 C는, 제2 비교예에 따른 레진(나노필러를 포함하지 않는 레진)을 이용하여 제조한 절연 구조의 전계-시간 특성을 나타내고 있다.

회전 전기(1)의 절연 구조의 장기에 걸친 전압-수명 특성을 평가하는 경우, 실제로 사용하는 회전 전기(1)의 전계: E(상간 전압/절연 두께)에 대해, E보다 높은 전계 3점(E1, E2, E3)에서의 수명을 먼저 실험적으로 구하고, 그들 3점을 직선 근사한다. 이 근사 직선을 전계-시간 특성이라고 칭하지만, 이 전계-시간의 근사 직선을, 실제로 회전 전기(1)를 운전할 때의 전계에 가까운 보다 낮은 전계측에 외장함으로써, 사용하고 싶은 전계에서의 수명을 예측하여, 그 운전 수명을 추정할 수 있다.

상기 수법에 기초하여 이번에 실시한 결과를 도 18에 나타낸다. 각각의 타점은, 동일 조건에서 구한 각 5개의 코일의 평균치(베이불 분포의 63%)이다. 일례로서, 보다 낮은 전계로서 5kV/mm를 생각하면, 제1 비교예에 따른 레진을 이용했을 경우(도 중 B)의 운전 수명은, 제2 비교예에 따른 레진을 이용했을 경우(도 중 C)의 약 2배에 머물지만, 본 실시형태에 따른 레진(47)을 이용했을 경우(도 중 A)의 운전 수명은, 제2 비교예에 따른 레진을 이용했을 경우(도 중 C)의 약 100배가 된다. 이것은, 본 실시형태에 의하면, 전술한 바와 같이, 나노필러(55)의 분산성이 높아, 전기 트리(T)의 진전 억제 효과가 제1 비교예에 비해 큰 것에 기인하고 있다.

＜반응성 희석제를 사용하지 않는 경우에 대해＞

전술한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 레진 제조 방법은, 반응성 희석제를 이용하는 것을 특징의 하나로서 포함하는 것이다. 여기서, 반응성 희석제 이외의 희석제를 이용하여 나노필러를 포함하는 레진을 제조하는 제3 비교예에 대해 언급한다.

제3 비교예에 있어서는, 예를 들어 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 알코올 등의 희석제에 나노필러를 분산시킨 분산액을 에폭시 수지 등(에폭시 수지 또는 경화제, 혹은 양자의 혼합물)에 혼합한다. 다음에, 당해 분산액과 에폭시 수지 등의 혼합물에 대해, 가열 또는 진공 탈포, 혹은 양자를 병용하는 것에 의해, 혼합물 전체로부터 희석제를 제거한다. 이와 같은 제3 비교예에 따른 방법에 의해서도, 나노필러를 포함하는 레진을 제조할 수 있다.

그렇지만, 제3 비교예에 있어서는, 당해 분산액(나노필러가 분산된 아세톤 등의 희석제)을 에폭시 수지 등에 혼합하여 액상 레진을 생성하는 과정에서, 예기치 못한 화학 반응이 생겨, 점도의 상승, 절연 성능의 저하 등이 생길 가능성이 높다. 또한, 제3 비교예에 있어서는, 희석제를 제거하기 위한 공정(가열 또는 진공 탈포, 혹은 양자의 병용)이 필요하기 때문에, 공정의 복잡화, 비용의 증대화 등의 문제가 있다.

이에 반해, 본 실시형태에 의하면, 상기 제3 비교예의 같은 문제는 발생하지 않고, 고품질인 레진(47)을 비교적 용이하게 또한 저비용으로 제조하는 것이 가능해진다.

이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 나노필러(55)의 분산성 및 점도의 안정성이 높은 레진(47)을 제조하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 고성능인 절연 구조를 효율적으로 제조하는 것이 가능해진다. 또한, 나노필러(55)를 분산시키기 위해서 플래니터리 믹서, 3본롤 믹서, 비즈 밀 교반기 등의 고가의 장치를 사용할 필요를 없게 할 수 있다.

전술한 본 발명의 실시형태는, 발명의 범위를 한정하는 것은 아니고, 발명의 범위에 포함되는 일례에 지나지 않는다. 본 발명의 어떤 실시형태는, 전술한 실시형태에 대해서, 예를 들어, 구체적인 용도, 구조, 형상, 작용, 및 효과의 적어도 일부에 대해, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 변경, 생략, 및 추가가 이루어진 것이어도 된다.

1 회전 전기
5 베어링
6 프레임
7 베어링 브래킷
10 회전자
11 로터 샤프트
12 회전자 철심
20 고정자
21 고정자 철심
22 절연 코일
31 적층 도체(도전체)
31A 도선
33 턴 절연부
35 주절연부
40 절연 테이프(테이프상 부재)
41 주절연층
42 섬유 강화층
43 중합체층
47 레진
50 함침부
55 나노필러
60 함침 장치
61 용기
62 배기 배관
62A 배기 밸브
63 공급 배관
63A 공급 밸브
64 처리조
65 가압 가스
90 고정자 유닛
T 전기 트리

Claims

도전체의 외주부에 형성되는 절연 구조에 함침되는 레진을 제조하는 방법으로서,
에폭시 수지와, 상기 에폭시 수지와 반응함으로써 상기 에폭시 수지의 점도를 저하시키는 반응성 희석제에 나노필러가 분산된 분산액을 혼합하는 분산액 혼합 공정과,
상기 분산액 혼합 공정에 의해 생성된 조성물과, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제를 혼합하는 경화제 혼합 공정
을 포함하는 레진 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 에폭시 수지는, 지환식 에폭시 수지를 포함하는,
레진 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 반응성 희석제는, 뷰틸 글라이시딜 에터를 포함하는,
레진 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분산액 중의 상기 나노필러의 입경은, 50nm 이하인,
레진 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레진에 포함되는 상기 나노필러 이외의 혼합물 전체에 대한 상기 나노필러의 함유량은, 2wt% 내지 30wt%인,
레진 제조 방법.
도전체의 외주부에 형성되는 절연 구조를 제조하는 방법으로서,
나노필러를 포함하는 레진을 제조하는 레진 제조 공정과,
상기 도전체의 외주부에 권회된 비도전성의 테이프상 부재에 상기 레진을 함침시키는 공정
을 포함하고,
상기 레진 제조 공정은,
에폭시 수지와, 상기 에폭시 수지와 반응함으로써 에폭시 수지의 점도를 저하시키는 반응성 희석제에 상기 나노필러가 분산된 분산액을 혼합하는 분산액 혼합 공정과,
상기 분산액 혼합 공정에 의해 생성된 조성물과, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제를 혼합하는 경화제 혼합 공정
을 포함하는,
절연 구조 제조 방법.