(57)【要約】【課題】導体部での発熱量の増大に対処し得る熱伝導特性、及び電気絶縁特性を有する回転電機固定子用絶縁材及びその製造方法並びに回転電機固定子を提供する。【解決手段】マイカを含み、前記マイカ間に存在する空隙に、有機化合物中に無機化合物が分散した複合材料が充填されているマイカ層と、無機物又は有機物の少なくとも一つからなる裏打ち材と、熱硬化性の高分子材料を含む樹脂層とを具備した回転電機固定子用絶縁材。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイカを含み、前記マイカ間に存在する空隙に、有機化合物中に無機化合物が分散した複合材料が充填されているマイカ層と、
無機物又は有機物の少なくとも一つからなる裏打ち材と、
熱硬化性の高分子材料を含む樹脂層と、
を具備したことを特徴とする回転電機固定子用絶縁材。
【請求項２】
前記有機化合物中に無機化合物が分散した複合材料が、アルコキシシランの重合によって得られたポリシロキサンであることを特徴とする請求項１記載の回転電機固定子用絶縁材。
【請求項３】
前記アルコキシシランが、少なくとも３官能アルコキシシラン化合物、４官能アルコキシシラン化合物の何れか１つ若しくは組み合わせからなることを特徴とする請求項２記載の回転電機固定子用絶縁材。
【請求項４】
前記裏打ち材の表面に、前記有機化合物中に無機化合物が分散した複合材料の層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の回転電機固定子用絶縁材。
【請求項５】
前記樹脂層の前記熱硬化性の高分子材料中に、すくなくとも１種類以上の無機粒子が含まれており、前記無機粒子の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の回転電機固定子用絶縁材。
【請求項６】
前記無機粒子が、前記樹脂層の全体積のうち２０〜７０体積％含まれていることを特徴とする請求項５記載の回転電機固定子用絶縁材。
【請求項７】
請求項１乃至６何れか１項記載の回転電機固定子用絶縁材の製造方法であって、
水、又はアルコール、又は水とアルコールを含む混合液に、アルコキシシランを含む溶液を得る工程と、
層状にした前記マイカの表面に前記アルコキシシランを含む溶液を塗布する工程と、
前記アルコキシシランを含む溶液を塗布した前記マイカ層を乾燥する工程と、
を含むことを特徴とする回転電機固定子用絶縁材の製造方法。
【請求項８】
導線を束ねて構成された導体と、
請求項１乃至６何れか１項記載の回転電機固定子用絶縁材により、前記導体の外周面を被覆するように形成された絶縁層と
を具備したことを特徴とする回転電機固定子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転電機固定子用絶縁材及びその製造方法並びに回転電機固定子に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機機器は、２０年、３０年と長期間に亘って使用される機器であり、特に高電圧回転電機機器を構成する回転電機固定子等の構成部品は、高電圧のストレスに耐えうる絶縁が要求される。現在、回転電機固定子に使用されている絶縁材料は、無機材料であるマイカとエポキシやポリエステル等の樹脂材料との複合材料である。マイカは、耐熱性と耐放電性に優れた材料であることから、放電が避けられない高電圧回転電機機器の絶縁材料として長く使用されている。
【０００３】
一般的に、上記の絶縁材料は、ガラスクロスやフィルムを裏打ち材として使用し、上述したマイカと樹脂との複合材料からなるマイカ層を貼りつけ、絶縁テープとして形成される場合が多い。また、剥がしマイカと呼ばれる大きなマイカ鱗片を貼りつけながらテープを巻き回し、上述のようなテープを形成する手法も用いられてきた。
【０００４】
一方、近年、回転電機機器の性能向上により、回転電機固定子の導体部での発熱量が増大する傾向にある。このため、生成した熱を発散させる必要があり、様々なコイル冷却方式によりコイルの温度上昇を低下させる取り組みがなされている。
【０００５】
コイル冷却方式としては、導体を中空構造にし、水あるいは水素を循環させてコイルを直接冷却する直接冷却方式と、コイル導体に発生したジュール熱を、コイル絶縁を経由して鉄心に放熱して冷却するか、鉄心内部を循環する水素あるいは空気によって冷却する間接冷却方式との２種類に大別される。
【０００６】
間接冷却方式では、コイル絶縁を経由して熱を放出するため、金属やセラミックスと比較して熱伝導率が劣るコイル絶縁によって放熱が阻害され、直接冷却方式と比較して冷却性能が劣る場合が多い。このような問題を解決すべく、コイル絶縁の熱伝導率を向上させる取り組みが行われている。具体的には、絶縁材料を構成する、樹脂材料の熱伝導率向上を図っている。
【０００７】
樹脂材料の熱伝導率を向上させる方法としては、例えば、樹脂材料中に結晶化指数１．８以上の六方晶窒化ホウ素の粉末を加える方法が知られている。六方晶窒化ホウ素は、結晶化指数を高めることで熱伝導率が向上するので、電気絶縁特性を維持しながら熱伝導性を向上させることができる。また、例えば、窒化ホウ素などの充填に加え、メソゲン骨格を有する樹脂を用いる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１６６８０９号公報
【特許文献２】特開２０１７−１２３２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来の技術では、昨今の回転電機固定子の導体部における発熱量を十分に放出し得る熱伝導性、及びこれまでと同等もしくはそれ以上の電気絶縁特性を得ることが困難であった。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、導体部での発熱量の増大に十分対処し得る熱伝導特性、及び十分な電気絶縁特性を有する回転電機固定子用絶縁材及びその製造方法並びに回転電機固定子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の回転電機固定子用絶縁材は、マイカを含み、前記マイカ間に存在する空隙に、有機化合物中に無機化合物が分散した複合材料が充填されているマイカ層を具備している。また、無機物又は有機物の少なくとも一つからなる裏打ち材と、熱硬化性の高分子材料を含む樹脂層と、を具備している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る回転電機固定子の構成を示す斜視図。
【図２】図１の回転電機固定子の断面図。
【図３】図１の回転電機固定子の絶縁層を拡大して示す断面図。
【図４】実施形態に係る回転電機固定子用絶縁材の断面図。
【図５】図４に示す回転電機固定子用絶縁材のマイカ層を拡大して示す断面図。
【図６】変形例に係る回転電機固定子用絶縁材のマイカ層及び裏打ち材を拡大して示す断面図。
【図７】実施例及び比較例の熱伝導率を比較して示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態の回転電機固定子用絶縁材及びその製造方法並びに回転電機固定子を、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、実施形態に係る回転電機固定子１０の外観の概略構成を模式的に示す斜視図、図２は、回転電機固定子１０の断面構成を模式的に示す図である。図１、２に示すように、回転電機固定子１０は、導体１１とこの導体１１の外側を覆うように形成された絶縁層１２とを具備している。
【００１５】
導体１１は、例えば、銅、アルミニウム、銀などの電気的良導体で構成される複数の素線１１１を縦及び横方向に並列するとともに結束してなる。本実施例では、縦８列、横２列で結束されている場合について示してあるが、その数及び配列構成については、特に限定されるものではない。
【００１６】
図３は、本実施形態における絶縁層１２を構成するための回転電機固定子用絶縁材としての回転電機固定子用絶縁テープ１２０の構成を拡大して模式的に示す断面図である。絶縁層１２を構成する回転電機固定子用絶縁テープ１２０は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる樹脂層１２１と、マスコバイトを素材とした硬質マイカ又はフロゴパイトを素材とする軟質マイカの少なくとも１つを含むマイカ層１２２と、ガラスクロスやフィルム等からなる裏打ち材１２３とから構成されている。なお、図３には、裏打ち材１２３として、クロス状のものを使用した場合について示してあるが、裏打ち材１２３の構成は、特にクロス状のものに限定されるものではない。
【００１７】
回転電機固定子用絶縁テープ１２０は、導体１１の外周を覆うようにして設けられ、例えば、図４に示すように、回転電機固定子用絶縁テープ１２０は、所定方向（例えば図４に示す横方向）に沿って端部が重なるように巻回され、さらにこの層が、所定の数（例えば６〜３３層程度）となるように巻回される。
【００１８】
また、図３に示すように、回転電機固定子用絶縁テープ１２０の樹脂層１２１は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機粒子１２１Ａを少なくとも１種類以上含む。具体的には、樹脂からなるマトリックス中に鱗片状の六方晶窒化ホウ素やアルミナ、酸化マグネシウム等の無機粒子１２１Ａが分散している構成となっている。無機粒子１２１Ａは、樹脂層１２１の全体積のうち例えば２０〜７０体積％含まれている構成とすることが好ましい。樹脂からなるマトリックスは、例えば熱硬化性樹脂から構成することができる。
【００１９】
マイカ層１２２は、図５に示すように、鱗片状のマイカフィラー１２２Ａとバインダー１２２Ｂとで構成される。具体的には、バインダー１２２Ｂの中に、鱗片状のマイカフィラー１２２Ａが分散している構成となっている。
【００２０】
バインダー１２２Ｂは、有機化合物中に無機化合物が分散した複合材料で構成されている。この有機化合物中に無機化合物が分散した複合材料としては、例えば、アルコキシシランが脱水縮合して生成された、ポリシロキサンを用いることができる。マイカ層１２２を構成するマイカフィラー１２２Ａの間の間隙を、ポリシロキサンで埋めるためには、あらかじめマイカ層１２２にアルコキシシラン溶液を塗布し、縮合反応をさせておくことが好ましい。
【００２１】
塗布方法としては、アルコキシシランを、アルコール、水、アルコールと水などで希釈した溶液を、刷毛などを用いてマイカ層１２２の表面から塗布する方法などを用いることができる。塗布後、風乾、加熱乾燥工程を経てポリシロキサンが生成する。
【００２２】
アルコキシシランを希釈するアルコールとしては、メタノール、エタノールなどがあげられる。アルコキシシランが加水分解することによって生成するアルコールと親和性の高いアルコールを選択することが好ましい。
【００２３】
一般的に熱の伝達は、自由電子による伝達と、フォノンによる伝達によって生じる。マイカ層１２２内は、熱硬化性樹脂が含浸されているが、絶縁性の樹脂は自由電子を有していないため、熱伝導は主としてフォノンの伝達によって起こる。樹脂の熱伝達は、分子鎖を通して行われるが、分子鎖の規則性が高いほど熱伝導率は高くなる。そのため、結晶性高分子や液晶性高分子の方が、規則性を有しない非晶性高分子より高い熱伝導性を示す。エポキシ樹脂をはじめとする熱硬化性樹脂は、結晶構造をもたず非晶性領域のみのため、フォノンの散乱が起こり熱伝導率の低下を引き起こす。
【００２４】
熱硬化性樹脂の熱伝導性を向上させる方法としては、熱伝導率の高いフィラーを高充填する方法、メソゲン基等の剛直な構造を持つ樹脂を使用する方法などが知られている。しかしながら前者の手法では、充填率に限界があること、後者の手法では樹脂粘度が増大し、製造性が劣るなどの課題がある。
【００２５】
一方、上述のように、マイカ層１２２の内部をシリカに似た構造を有するポリシロキサンで埋めることで、これまで使用してきた樹脂材料、高熱伝導性フィラーを変えることなく、フォノンの散乱を抑制し熱伝導率を向上することが可能となる。
【００２６】
また、マイカフィラー１２２Ａの表面にアルコキシシランが化学結合することで、裏打ち材１２３の固定に使用される樹脂成分との間で発生するフォノンの散乱を抑制でき、熱伝導率の向上が可能となる。
【００２７】
アルコキシシランとしては、たとえば四官能性のテトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、三官能性の３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシランなどの少なくとも１つもしくは２つ以上の組み合わせがあげられる。また、バインダー１２２Ｂは、上記ポリシロキサン以外に熱硬化性樹脂を含んでいてもよい。
【００２８】
四官能性のアルコキシシランを用いると、生成するポリシロキサンが緻密になり、熱伝導率の向上への寄与が大きくなる。一方で、四官能性のアルコキシシランのみを用いる場合、ポリシロキサンが緻密になりすぎ、マイカ層１２２がもろくなる可能性がある。
【００２９】
三官能性のアルコキシシランを用いると、官能基の一つにアルキル基が導入されており、ポリシロキサンの柔軟性が高まる。そのため、四官能性のアルコキシシランと三官能性のアルコキシシランとを組み合わせて使用することで、マイカ層の柔軟性と熱伝導率を両立することが可能となる。三官能性のアルコキシシランの割合は、特に限定されるものではないが、例えば、２０％から８０％（モル比）とすることが好ましい。なお、アルコキシシランの他、他の金属を含む金属アルコキシド溶液を用いることができる。
【００３０】
また、回転電機固定子１０は、高電圧環境下で使用されるため、絶縁層１２内を電気トリーが進展し、最終的に絶縁層１２を貫通した場合、絶縁破壊し短絡する。電気トリーは電気的に弱い有機物内を優先的に進展するため、樹脂層１２１内を進展し、マイカ層１２２を貫通する場合は、図５に示した構成のマイカ層１２２のマイカフィラー１２２Ａの間のバインダー１２２Ｂを破壊しながら進展する。
【００３１】
本実施の形態では、バインダー１２２Ｂには、アルコキシシランを出発物質として生成したポリシロキサが含まれる。ポリシロキサンは、有機化合物中に無機化合物であるＳｉＯ２が析出し、ナノレベルで複合化された構造をとる。このような材料は、一般的に有機無機ハイブリッド材料と呼ばれ、有機化合物と無機化合物の特徴を併せ持つ。有機化合物中に、シリカがナノレベルで分散することで、電気トリーの進展が抑制されることが知られており、回転電機固定子１０の電気的寿命向上に寄与することができる。なお、前述したとおり、アルコキシシランの他、他の金属を含む金属アルコキシド溶液、例えば、チタンを含むアルコキシチタン溶液等を用いることができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態の回転電機固定子１０は、高熱伝導性のマイカ層１２２を有しているので、導体１１での発熱量の増大に対して十分に対処する熱伝導特性を有している。
【００３３】
次に、上記実施形態の変形例の構成について説明する。図６は上記実施形態の変形例に係る、絶縁層１２を構成するための回転電機固定子用絶縁材としての回転電機固定子用絶縁テープ１２０Ａの要部構成を拡大して模式的に示す断面図である。なお、図６において、図１〜５に示した実施形態の構成要素と対応する構成要素に関しては、同一の符号を付してある。
【００３４】
図６に示す回転電機固定子用絶縁テープ１２０Ａは、マイカ層１２２と、裏打ち材１２３の表面に、アルコキシシランの縮合生成物であるポリシロキサンが化学結合している点で、上記実施形態と相違し、その他の点では上記実施形態と同様である。したがって、以下においてはその効果によって説明する。
【００３５】
裏打ち材１２３は、マイカ層１２２と一体化させるために、ワニス等を用いてマイカ層１２２に貼着する必要がある。貼着に使用するワニスと裏打ち材１２３との間での熱の伝搬は、フォノンの伝達によって起こる。アルコキシシランを用いて、裏打ち材１２３表面を表面処理することで樹脂の濡れ性が高まり接触熱抵抗を低減させることができる。それに加えてポリシロキサンとワニスとが、化学結合を形成することにより、さらにフォノンの伝達を容易にすることができる。
【００３６】
また、ワニス（樹脂）と裏打ち材１２３（織布）の間には界面が存在し電気的弱点となり得る。電気トリーが裏打ち材１２３表面に沿って容易に進展することで電気的寿命の短縮につながる。これに対して、上記構成とすることで、裏打ち材１２３表面のポリシロキサンとワニスとを強固に結合させることができ、電気トリーの進展を抑制することが可能となる。なお、裏打ち材１２３にアルコキシシラン溶液を塗布する前に、コロナ処理やプラズマ処理などの活性化処理を施すことで、裏打ち材１２３とポリシロキサン間に化学的結合が形成されやすくなる。
【００３７】
次に、具体的な実施例及びその評価結果について説明する。
（実施例１）
集成マイカからなる焼成集成マイカに、テトラエトキシシランを水とエタノールの混合溶液に希釈したゾル液を、刷毛を用いて塗布した。その後、室温にて乾燥を行い、アルコキシシラン処理マイカ層を作成した。
【００３８】
その後、上記のアルコキシシラン処理マイカ層に、裏打ち材として用いるガラスクロスを貼着した。貼着は、エポキシ樹脂からなるワニスをガラスクロスの上より塗布して行った。
【００３９】
ガラスクロス貼着に用いたワニスが乾燥した後、ガラスクロスの上からエポキシ樹脂を主成分とするワニスに高熱伝導フィラーとして六方晶窒化ホウ素を加え、有機溶媒に希釈したワニスを塗布した。
【００４０】
所定の温度、時間にてワニスを半硬化状態することで樹脂層を形成し、回転電機固定子用絶縁テープを作製した。この回転電機固定子用絶縁テープを任意の大きさに切断、積層し、加圧加熱工程を経て、熱伝導率測定用の、厚さ約４ｍｍの積層板を作製した。
【００４１】
（実施例２）
集成マイカからなる焼成集成マイカに、テトラエトキシシランとグリシジルプロピルトリエトキシシランを、水とエタノールの混合溶液に希釈したゾル液を、刷毛を用いて塗布した。テトラエトキシシランと、グリシジルプロピルトリエトキシシランとは、モル比で１：３とした。
【００４２】
その後、室温にて乾燥を行い、アルコキシシラン処理マイカ層を作成した。以降は、実施例１と同様の工程を経て、熱伝導率測定用の、厚さ約４ｍｍの積層板を作製した。
【００４３】
（実施例３）
集成マイカからなる焼成集成マイカに、テトラエトキシシランとグリシジルプロピルトリエトキシシランを、水とエタノールの混合溶液に希釈したゾル液を、刷毛を用いて塗布した。テトラエトキシシランと、グリシジルプロピルトリエトキシシランは、モル比で１：１とした。
【００４４】
その後、室温にて乾燥を行い、アルコキシシラン処理マイカ層を作成した。以降は、実施例１と同様の工程を経て、熱伝導率測定用の、厚さ約４ｍｍの積層板を作製した。
【００４５】
（比較例１）
集成マイカからなる焼成集成マイカのマイカ層を、裏打ち材として使用するガラスクロスに貼着した。貼着は、エポキシ樹脂からなるワニスを、ガラスクロスの上より塗布して行った。
【００４６】
ガラスクロス貼着に用いたワニスが乾燥した後、ガラスクロスの上からエポキシ樹脂を主成分とするワニスに高熱伝導フィラーとして六方晶窒化ホウ素を加え、有機溶媒に希釈したワニスを塗布した。以降は、実施例１と同様の工程を経て、熱伝導率測定用の、厚さ約４ｍｍの積層板を作製した。
【００４７】
（比較例２）
集成マイカからなる焼成集成マイカのマイカ層を、裏打ち材として使用するガラスクロスに貼着した。貼着は、エポキシ樹脂からなるワニスを、ガラスクロスの上より塗布して行った。
【００４８】
ガラスクロス貼着に用いたワニスが乾燥した後、ガラスクロスの上からエポキシ樹脂を主成分とするワニスを塗布した。以降は、実施例１と同様の工程を経て、熱伝導率測定用の、厚さ約４ｍｍの積層板を作製した。
【００４９】
（熱伝導率の評価）
実施例１〜３及び比較例１，２で得られた積層板の熱伝導率について、以下の方法により評価した。
【００５０】
熱伝導率の測定は、熱流計（ＥＫＯ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｔｒａｄｉｎｇ  ＣＯ．Ｌｔｄ製、ＪＩＳ−Ａ１４１２）を用いて上面プレート温度９５℃、下面プレート温度８５℃として定常法により測定した。試験片厚みは、ミツトヨ製デジタルノギスを用いて測定し、以下の式にて測定結果を補正した。この時、λｅは熱伝導率、ｔｍはノギスで測定したサンプル厚さ、ｔは熱流計により測定されたサンプル厚さ示す。
λ＝λｅ×（ｔｍ／ｔ）
【００５１】
熱伝導率の測定結果を、図７のグラフに示す。熱伝導率は、比較例１を１とした相対値で示している。図７に示されるとおり、実施例１〜３の熱伝導率が、比較例１，２に比べて高いことを確認できた。また、実施例１〜３の中でも、特にテトラエトキシシランとグリシジルプロピルトリエトキシシランをモル比で１：１とした実施例３の熱伝導率が高かった。
【００５２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
１０……回転電機固定子、１１……導体、１２……絶縁層、１１１……素線、１２０……回転電機固定子用絶縁テープ、１２１……樹脂層、１２１Ａ……無機粒子、１２２……マイカ層、１２２Ａ……マイカフィラー、１２２Ｂ……バインダー、１２３……裏打ち材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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