(57)【要約】【課題】熱伝導率が高い絶縁材ならびに回転電機用コイルを提供する。【解決手段】マイカ層と接着剤層とがそれぞれ１層ずつ積層された絶縁層を有する絶縁材であって、前記マイカ層の厚さおよび熱伝導率をｔｍ（μｍ）およびλｍ（Ｗ／ｍＫ）、前記接着材層の厚さおよび熱伝導率をｔｒ（μｍ）およびλｒ（Ｗ／ｍＫ）、前記絶縁層の厚さをｔallとするとき、λｍが０．２Ｗ／ｍＫ以上０．７Ｗ／ｍＫ以下であり、  下記式（１）を満たすことを特徴とする絶縁材、およびこの絶縁材によって絶縁されてなる回転電機用コイル。2019162002.tif 000008【選択図】図１
2019162002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイカ層と接着剤層とがそれぞれ１層ずつ積層された絶縁層を有する絶縁材であって、
前記マイカ層の厚さおよび熱伝導率をｔｍ（μｍ）およびλｍ（Ｗ／ｍＫ）、前記接着材層の厚さおよび熱伝導率をｔｒ（μｍ）およびλｒ（Ｗ／ｍＫ）、前記絶縁層の厚さをｔall（μｍ）とするとき、
λｍが０．２Ｗ／ｍＫ以上０．７Ｗ／ｍＫ以下であり、
下記式（１）を満たすことを特徴とする、絶縁材。
【数１】
2019162002.tif 000007
【請求項２】
前記接着剤層にガラスクロスが配置されてなる、請求項１に記載の絶縁材。
【請求項３】
前記接着剤層が、アルミナ、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化ホウ素、マグネシア、窒化ケイ素およびシリカからなる群から選ばれた無機化合物を含んでなる、請求項１または２に記載の絶縁材。
【請求項４】
前記接着剤層を形成する接着剤が、エポキシ基を有する有機接着剤である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の絶縁材。
【請求項５】
前記接着剤層を形成する接着剤が、ヒドロキシル基を有する有機接着剤である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の絶縁材。
【請求項６】
前記マイカ層を形成するマイカが、有機化合物によって表面処理されたものである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の絶縁材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の絶縁材によって絶縁されてなることを特徴とする、回転電機用コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、絶縁材および回転電機用コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、発電機固定子コイル絶縁材は、高電圧導体を蔽うようにその周囲に形成することによって接地部への地絡事故を防いでいる。しかしながら、コイルをその外側から通風によって冷却するように構成されたシステムでは、導体を覆う絶縁材がコイルの冷却を阻害する。このことから、絶縁材料の熱劣化や導体の導電抵抗の増大などが生じがちであった。
【０００３】
この絶縁材の形成には、基材であるガラスクロスと、マイカ粉を抄紙したマイカシートを接着剤で貼り合わせたマイカテープが用いられる。マイカテープが導体の周囲に複数層巻きつけられ、加熱硬化されることで、マイカシートの層が接着剤やガラスクロスを挟み込んだ構成となる。
【０００４】
この構成においては、前記課題を解決するため、接着剤層に高熱伝導性フィラーを充填する技術が報告されている。これによって、熱流が接着剤層の高熱伝導性フィラーを流れるので全体的な熱伝導率が向上する。
【０００５】
また、高熱伝導性フィラーと接着剤の界面に化学的結合を行う構成が報告されている。これによって、界面熱抵抗を低下させ更なる高熱伝導化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開２０１３／７３４９６号公報
【特許文献２】特開２０１４−１７１３８４号公報
【特許文献３】特開２０１５−２３１３２２号公報
【特許文献４】国際公開２０１５−５３３７４号公報
【特許文献５】米国特許出願２０１２／１１８６１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
列挙した技術のように、絶縁材の高熱伝導性の向上が図られているが、接着剤層の熱伝導率が向上に伴ってマイカ層の熱抵抗割合が大きくなるため、絶縁材の全体としての熱伝導率を効率的に向上させるのが難しくなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するもので、絶縁材の熱伝導率に関し、マイカ層の寄与率が接着剤層の寄与率以上となった時にマイカ層の熱伝導率を向上させ、効率よく熱伝導率を向上させることを目的としている。
【０００９】
したがって、本発明の実施形態による絶縁材は、マイカ層と接着剤層とがそれぞれ１層ずつ積層された絶縁層を有する絶縁材であって、
前記マイカ層の厚さおよび熱伝導率をｔｍ（μｍ）およびλｍ（Ｗ／ｍＫ）、前記接着材層の厚さおよび熱伝導率をｔｒ（μｍ）およびλｒ（Ｗ／ｍＫ）、前記絶縁層の厚さをｔall（μｍ）とするとき、
λｍが０．２Ｗ／ｍＫ以上０．７Ｗ／ｍＫ以下であり、
下記式（１）を満たすこと、を特徴とするものである。
【数１】
2019162002.tif 000003
【００１０】
そして、本発明の実施形態による回転電機用コイルは、上記の絶縁材によって絶縁されてなること、を特徴とするものである。特に、本発明の実施形態による回転電機用コイルは、導体を中心とし、その周囲に、本発明の実施形態による絶縁材を複数回巻き回して形成された絶縁材によって絶縁されたものを好ましい具体例として包含する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、熱伝導率が高くかつ耐久性が高い絶縁材ならびに回転電機用コイルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態による絶縁材の断面図。
【図２】絶縁層の熱抵抗等価回路。
【図３】実施例１を説明する絶縁層の熱伝導率のマイカ層と接着剤層の依存性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る絶縁材料の実施例について、必要に応じて、図面を参照して説明する。  
図１は、本発明の実施形態による絶縁材１の断面概略図を示すものである。  
この図１に示される本発明の実施形態による絶縁材１は、マイカ層２と接着剤層３とがそれぞれ１層ずつ積層された絶縁層を有するものである。マイカ層２は、好ましくは、例えば、多数の箔状のマイカ２１によって形成することができる。また、接着剤層３は、好ましくは、例えば、接着剤３１と繊維質基体（特に好ましくはガラスクロス）３２によって形成することができる。なお、図１に示される絶縁材１を複数重ね合わせることによって、絶縁性をより向上させることができる。
【００１４】
このような縁層材１は、好ましくは以下の通りにして作製することができる。  
まず、焼成集成マイカを抄紙したマイカシートとガラスクロス３２とを接着剤３１で貼り合わせる。この接着剤３１は、必要に応じて、無機フィラーを配合することができる。接着剤を１００℃〜１２０℃で短時間加熱し、半硬化の状態で保持した。この状態をプリプレグシートと呼ぶ。次に、このプリプレグシートを適度な幅で切断し、テープ状にし、それをプリプレグマイカテープと呼ぶ。
【００１５】
マイカ層２の厚さ（ｔｍ）は、好ましくは１〜１００μｍ、特に好ましくは１０〜４０μｍ、である。マイカ層の厚さが１μｍ未満の場合には、マイカ層の貫層方向の絶縁性能が不足し容易に絶縁破壊し、一方、１００μｍ超過の場合は、マイカ層の貫層方向の絶縁性能が過剰となり無効な厚みが機器を大型化することから好ましくない。
【００１６】
本発明の実施形態において好ましい接着剤３１としては、主剤と硬化剤で構成されるものを挙げることができる。主剤としては、例えば、グリシジルエーテル系樹脂（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、モノマー型多官能エポキシ樹脂）が好ましい。硬化剤としては、例えば、酸無水物系硬化剤（テトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルナジック酸無水物、水素化メチルナジック酸無水物、トリアルキルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルシクロヘキセンテトラカルボン酸二無水物、無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、エチレングリコールビスアンヒドロトリメリテート、グリセリンビス（アンヒドロトリメリテート）モノアセテート、ドデセニル無水コハク酸、脂肪族二塩基酸ポリ無水物、クロレンド酸無水物）が好ましい。
【００１７】
接着剤層の厚さ（ｔｒ）は、好ましくは１〜１００μｍ、特に好ましくは１０〜４０μｍ、である。接着剤層の厚さが１μｍ未満の場合には、マイカ層の貫層方向の絶縁性能が不足し容易に絶縁破壊し、一方、１００μｍ超過の場合は、マイカ層の貫層方向の絶縁性能が過剰となり無効な厚みが機器を大型化することから好ましくない。
【００１８】
接着剤層３には、ガラスクロス３２を配置することができる。このガラスクロスは、前述のマイカ２１を保持する基材として機能するとともに、接着剤３１を付着保持することによって、マイカ層２とガラスクロス３２と接着剤層３とが複合した強度および耐久性が向上した絶縁材を提供することを容易にする。
【００１９】
また、接着剤層３は、必要に応じて、無機化合物、好ましくは、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化ホウ素、マグネシア、窒化ケイ素およびシリカからなる群から選ばれたフィラー状の無機化合物を含むことができる。このことによって、例えば熱伝導性、機械特性等を向上させることができる場合がある。無機フィラーは、平均粒径が０．００１〜１００μｍ、特に１〜５０μｍのものが好ましい。そして、その存在量は、接着剤層３の接着剤１００重量％に対して、好ましくは１０〜９０重量％、特に好ましくは４０〜８０重量％、である。無機フィラーの存在量が１０重量％未満の場合には、得られる特性向上効果が著しく小さく、一方、９０重量％超過の場合は、プリプレグマイカテープ時の樹脂層の柔軟性が損なわれることから好ましくない。
【００２０】
接着剤層３の熱伝導率（λｒ）は、好ましくは０．２０〜３０Ｗ／ｍＫ、特に好ましくは１〜５Ｗ／ｍＫ、である。熱伝導率（λｒ）が０．２０Ｗ／ｍＫ未満の場合には、樹脂自体の熱伝導率を下回る可能性がある。
【００２１】
図１に示される絶縁材１は、例えば、プリプレグマイカテープを１３ｍｍ×９２ｍｍの長方形断面の導体に、ハーフラップで１５回テーピングし、このテーピングしたマイカテープの外側に成形のための板を当て、熱収縮性のテープで固定後、真空脱泡して加熱炉にて１５０℃以上の温度で加熱硬化させることで得ることができる。
【００２２】
そして、上記の工程にて作製した絶縁層を導体側面から切り出し、直径５５ｍｍ、厚さ約３ｍｍの円柱状に加工し、試験体とした。この時、厚さ方向はテープの積層方向と一致している。
【００２３】
作製した試験体については、ＥＫＯ Instruments Trading Co.Ltd 製の熱伝導率測定装置（ＨＣ１１０）を用いて定常法にて熱伝導率を測定した。このとき、上下プレートの温度は９５℃と８５℃とした。得られた熱伝導率は０．６７Ｗ／ｍＫだった。
【００２４】
また、得られた試験体を積層方向に切断後、断面を研磨して、切断面の観察を行った。断面観察では、マイカ層と接着剤層の厚みを測定した結果、それぞれ３２μｍと１１６μｍだった。
【００２５】
ここで、絶縁層１の熱抵抗Ｒallは、マイカ層２の熱抵抗Ｒｍと接着剤層３の熱抵抗Ｒｒが直列で結ばれていることから、Ｒall＝Ｒｒ＋Ｒｍと表すことができる（図２）。そして、熱抵抗Ｒは、熱伝導率の逆数に厚さｔを乗算し、考える面積で除算したものと等しい。従って、熱抵抗の関係を厚さと熱伝導率で整理すると、下記の式（１”）を得ることができる。そして、この式（１”）は、下記の式（１’）のように表すことができる。
【数２】
2019162002.tif 000004
【数３】
2019162002.tif 000005
【００２６】
ここで、式（１”）に、先ほど実験的に得られた数値を代入すると、図３が得られる。これによると、λｒが０．２５Ｗ／ｍＫといった一般的なエポキシ樹脂の熱伝導率では、λｍを大きくすることによるλallの増加が小さい。
【００２７】
しかし、前述のとおり、従来技術として列挙したλｒの向上技術等により、それが大きくなると、λｍを大きくすることによるλallの増加が大きくなる。すなわち、λallを増加する最適な手段は、あるλｒ以上においてλｍの増加であると言うことができる。
【００２８】
ここで、λｒからλｒ＋０．１になった時の前記絶縁層の熱伝導率の増加量をＡ、λｍからλｍ＋０．１になった時の前記絶縁層の熱伝導率の増加量をＢとし、Ｂ＞Ａになる条件と定義できる。例えば、λｒ＝０．２５Ｗ／ｍＫ、λｍ＝０．２Ｗ／ｍＫにおいては、概ねＡ＝０．０６、Ｂ＝０．０２となり、従来技術等を使った接着剤層の高熱伝導化が効果的である。しかし、λｒ＝１．２Ｗ／ｍＫ、λｍ＝０．２Ｗ／ｍＫにおいては、概ねＡ＝０．０２、Ｂ＝０．１４となり、マイカ層の高熱伝導化が効果的である。
【００２９】
従来技術を用いてλｒをさらに向上させることでλallを向上させることは可能であるものの、高熱伝導性フィラーの充填によって高熱伝導化を図る手法では、高熱伝導性フィラーの高充填により材料の靱性が低下し構造物としての安定性が損なわれがちであった。
【００３０】
更に、例えば同じ０．１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を向上であっても、従来技術等の施策を盛り込んで１．２Ｗ／ｍＫを達成した接着剤層よりも、改善裕度を持つ０．２Ｗ／ｍＫのマイカ層の熱伝導率を向上させる方が形態を維持できること及び安定性が高いことから、絶縁材として利用する際に有利である。  
従って、下記の式（１）であるときマイカ層の高熱伝導化が効果的となる。
【数４】
2019162002.tif 000006
【００３１】
マイカ層の熱伝導率を向上させる方法としては、任意の方法を採用することができる。例えば、好ましくは、抄紙されていないマイカ鉱石そのものでマイカ層を形成する方法を挙げることができる。この方法によれば、マイカが本来持つ熱伝導率０．６７Ｗ／ｍＫを達成できる。
【００３２】
また、はがしマイカなどを用いることでマイカ本来の熱伝導率とマイカ層の柔軟性を両立させることが可能である。
【００３３】
また、集成マイカを用いる場合は、柔軟性は高いがマイカがへき開するため、へき開面で熱抵抗が発生し、熱伝導率が低下しがちである。そこで、マイカと接着剤との界面熱抵抗を低減するため、マイカ表面への化学修飾を行うことが好ましい。
【００３４】
化学修飾の方法としては、カップリング処理を挙げることができ、例えばシランカップリング剤を用いる処理が好ましい。さらに好ましくは、電気絶縁用接着剤として用いられることの多いエポキシ樹脂との反応を考慮して、アミノシランカップリング剤あるいはエポキシシランカップリング剤を用いることが好ましい。
【００３５】
そのようなアミノシランカップリング剤の好ましい具体例としては、Ｎ−２−（アミノエチル）−３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−２−（アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノ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、３−トリエトキシシリル−Ｎ−（１，３−ジメチル−ブチリデン）プロピルアミン、Ｎ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。
【００３６】
エポキシシランカップリング剤としては、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリエトキシシランなどが挙げられる。
【００３７】
上記を踏まえマイカ層の熱伝導率は、マイカシートの熱伝導率０．２Ｗ／ｍＫ以上で、かつマイカ鉱石の熱伝導率０．７Ｗ／ｍＫ以下となる。
【００３８】
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す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、変更あるいは付加等を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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】
【００３９】
１・・・絶縁材、２・・・マイカ層、３・・・接着剤層、２１・・・箔状のマイカ、３１・・・接着剤、３２・・・ガラスクロス
【図１】
2019162002.tif 000009
【図２】
2019162002.tif 000010
【図３】
2019162002.tif 000011