(57)【要約】      （修正有）【課題】電気部品のための改善された絶縁材の提供。【解決手段】電気部品のための絶縁材１００は、ポリマーマトリックス１０２中に分散されたフィラー１０４であって、タルク含有ナノクレイ１０６および窒化ホウ素を含むフィラー１０４を含み、電気部品のための絶縁テープは、基材及び該基材上に配置される絶縁材１００であり、ステータバーは、導電性コア及び該導電性コアの１つ以上の表面上に配置される絶縁テープを含む絶縁材。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマーマトリックス（１０２）中に分散されたフィラー（１０４）であって、タルク含有ナノクレイ（１０６）および窒化ホウ素を含むフィラー（１０４）を含む、電気部品のための絶縁材（１００）。
【請求項２】
前記絶縁材（１００）の全重量の最大で約７５％の量の前記ポリマーマトリックス（１０２）を含む、請求項１に記載の絶縁材（１００）。
【請求項３】
前記絶縁材（１００）の全重量の約３０％〜約４５％の量の前記タルク含有ナノクレイ（１０６）を含む、請求項１に記載の絶縁材（１００）。
【請求項４】
前記絶縁材（１００）の全重量の約２０％未満の量の前記窒化ホウ素を含む、請求項１に記載の絶縁材（１００）。
【請求項５】
前記フィラー（１０４）が、酸化亜鉛をさらに含む、請求項１に記載の絶縁材（１００）。
【請求項６】
前記絶縁材（１００）の全重量の約５％未満の量の前記酸化亜鉛を含む、請求項５に記載の絶縁材（１００）。
【請求項７】
基材（２０２）と、前記基材（２０２）上に配置された絶縁材（１００）であって、ポリマーマトリックス（１０２）中に分散されたフィラー（１０４）を含み、前記フィラー（１０４）が、タルク含有ナノクレイ（１０６）および窒化ホウ素を含む絶縁材（１００）とを含む、電気部品のための絶縁テープ（２００）。
【請求項８】
前記基材（２０２）と前記絶縁材（１００）との間に配置された、雲母を含む層（２０４）をさらに含む、請求項７に記載の絶縁テープ（２００）。
【請求項９】
前記絶縁材（１００）の全重量の最大で約７５％の量の前記ポリマーマトリックス（１０２）および前記絶縁材（１００）の全重量の約３０％〜約４５％の量の前記タルク含有ナノクレイ（１０６）を含む、請求項７に記載の絶縁テープ（２００）。
【請求項１０】
前記フィラー（１０４）が、酸化亜鉛をさらに含む、請求項７に記載の絶縁テープ（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示されている主題は、一般に、電気部品のための絶縁材に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力用途（例えば、発電機またはモータなどの電気機械）に利用される従来の絶縁材は、一般的に、雲母含有材料から製造されている。しかしながら、本発明者らは、従来利用されている絶縁材は、不十分な熱伝達能力、絶縁耐力、および放電（コロナ放電）抵抗（特に、高電圧にさらされる場合）を欠点として有することを観察してきた。したがって、従来の絶縁材は、絶縁材が高電圧ストレスまたは高熱負荷を受ける用途には効果がないか、または不適当である。
【０００３】
それゆえ、本発明者らは、電気部品のための改善された絶縁材を実現した。
【発明の概要】
【０００４】
電気部品のための絶縁材の実施形態が、本明細書において提供される。
【０００５】
一実施形態において、電気部品のための絶縁材は、ポリマーマトリックス中に分散されたフィラーであって、タルク含有ナノクレイおよび窒化ホウ素を含むフィラーを含んでもよい。
【０００６】
一実施形態において、電気部品のための絶縁テープは、基材および該基材上に配置される絶縁材を含んでもよく、このとき、絶縁材は、ポリマーマトリックス中に分散されたフィラーを含み、フィラーは、タルク含有ナノクレイおよび窒化ホウ素を含む。
【０００７】
一実施形態において、ステータバーは、導電性コアおよび該導電性コアの１つ以上の表面上に配置される絶縁テープを含んでもよく、このとき、絶縁テープは、基材および該基材上に配置される絶縁材を含み、絶縁材は、ポリマーマトリックス中に分散されたフィラーを含み、フィラーは、タルク含有ナノクレイおよび窒化ホウ素を含む。
【０００８】
本発明の実施形態の前述のおよび他の特徴は、図面および詳細な説明に関連してさらに理解される。
【０００９】
本発明の実施形態（上で簡単に要約され、以下でより詳細に述べられる）は、添付図面に描かれている本発明の例説的な実施形態を参照することによって理解することができる。しかしながら、添付図面は、本発明の一般的な実施形態しか示しておらず、したがって、本発明が他の同等に効果的な実施形態を許容することができることから、範囲の限定として考えられるべきではないことに留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一部の実施形態に係る、電気部品のための絶縁材の断面図である。
【図２】本発明の一部の実施形態に係る、図１に示されている、電気部品のための絶縁材を含む絶縁テープの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
理解を容易にするために、同じ参照符号が、可能な場合に、図面に共通の同じ要素を示すために使用されている。図面は、一定の縮尺で描かれておらず、また、明確にするために簡略化されている場合がある。一実施形態の要素および特徴は、さらに説明はしないが、有益な仕方で他の実施形態に組み込まれ得ることが考えられている。
【００１２】
電気部品のための絶縁材の実施形態が、本明細書において開示されている。少なくとも一実施形態において、本発明の絶縁材は、好適には、従来利用されている絶縁材に比べて増加した熱伝導率、絶縁耐力、放電抵抗を実現することができる。さらに、少なくとも一実施形態において、本発明の絶縁材は、従来利用されている絶縁材を利用した絶縁テープに比べてより均質な絶縁テープの製造を可能にすることができる。範囲の限定を意図しているわけではないが、本発明者らは、本発明の絶縁材が、好適には、例えば発電機またはモータなどの電気機械用途に利用することができることを観察した。
【００１３】
図１は、本発明の一部の実施形態に係る、電気部品のための絶縁材１００の断面図である。一実施形態において、絶縁材１００は、一般に、ポリマーマトリックス１０２中に分散されたフィラー１０４を含んでもよく、この場合、フィラー１０４は、ナノクレイ１０６を含む。本明細書で使用される場合、用語「ナノクレイ」は、一般に、平均寸法サイズが約１０００ｎｍ未満の粒子を有するクレイを含んでもよい。粒子は、球体、フレーク、繊維、ウィスカ、またはこれらの組み合わせなどの形態で存在してもよく、また、円形、楕円形、三角形、矩形、多角形、またはこれらの組み合わせなどの断面形状を有してもよい。
【００１４】
本発明者らは、従来利用されている絶縁材（例えば、主成分として雲母を含有する絶縁材）が、高電圧にさらされた場合の不十分な熱伝達能力および絶縁耐力を欠点として有することを観察してきた。さらに、一部の用途（例えば、絶縁材が絶縁テープを形成するために利用される場合など）において、本発明者らは、従来の絶縁材（雲母含有絶縁材）が、テープを形成するために利用される他の材料（例えば、エポキシ）によって湿る問題によりしばしば損害を受け、この結果、絶縁材中にボイド（例えば、ミクロボイド）がもたらされる場合があり、これにより、絶縁テープの放電抵抗の効果が低下することを観察してきた。このような欠陥（例えば、不十分な熱伝達能力および絶縁耐力、または放電抵抗の低下した効果など）は、従来の絶縁材を、高電圧用途には効果のないものまたは不適当なものにしている。例えば、発電機の用途において、発電機の出力は、ステータおよびロータの効率的な冷却を容易にするために発電機の部品間で効率的に熱を伝達すること（例えば、ステータバーの銅のコアから、ステータバーの近傍に配置された１つ以上のガスダクトへの熱伝達）ができないことによって制限される場合がある。本発明者らは、従来の絶縁材の不十分な熱伝達能力が、このような効率的な熱の伝達を制限し、この結果、電力出力を制限し、および／または発電機の効率を低下させる場合があることを観察してきた。
【００１５】
このため、一実施形態において、ナノクレイ１０６は、タルク含有ナノクレイである。本明細書で使用される場合、用語「タルク」は、任意の含水ケイ酸マグネシウム組成物（例えば、一般に、化学式Ｈ２Ｍｇ３（ＳｉＯ３）４またはＭｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２を含む）を含んでもよい。タルクを配することにより、熱伝達能力が改善され、この結果、従来利用されている絶縁材の前述の欠点が克服される。例えば、タルクは、絶縁材１００の厚さにわたり、また、絶縁材１００の厚さ方向に沿って本質的により高い熱伝導率を実現することができ、この結果、従来の雲母ベースの絶縁材に比べて熱伝導率全体がより高い絶縁材が作製される。例えば、一実施形態において、本発明者らは、従来の絶縁材の熱伝導率が、摂氏１５５度において約０．３Ｗ／ｍ−ｋであることに比べて、絶縁材１００の熱伝導率は、約０．６〜１．０３Ｗ／ｍ−ｋ（摂氏１５５度において約０．９３６Ｗ／ｍ−ｋなど）であることを観察した。
【００１６】
さらに、タルクは、従来の雲母ベースの絶縁材に比べて、絶縁材１００の増加した絶縁耐力および放電（コロナ放電）抵抗を実現することができる。例えば、一実施形態において、本発明者らは、従来の絶縁材の絶縁耐力が、約２５ＫＶ／ｍｍであることに比べて、絶縁材１００の絶縁耐力は、約２６〜約４４ＫＶ／ｍｍであることを観察した。別の例では、一実施形態において、本発明者らは、従来の絶縁材の破壊強度が、約７５０Ｖ／Ｍ未満であることに比べて、絶縁材１００の破壊強度は、約７５０Ｖ／Ｍ超（例えば、最大で約１４００Ｖ／Ｍなど）であることを観察した。別の例では、一実施形態において、本発明者らは、従来の絶縁材の誘電正接が、摂氏１５５度において約３％以上であることに比べて、絶縁材１００の誘電正接は、約３％未満（または一実施形態では摂氏１５５度において約２．５％未満）であることを観察した。特定の理論に縛られることを望むものではないが、本発明者らは、雲母に比べてより微細なタルクの層構造が、改善された前述の電気的特性を実現している（例えば、絶縁耐力または放電抵抗などを増加させている）可能性があると考えている。
【００１７】
一実施形態において、フィラー１０４は、絶縁材１００に１つ以上の所望の特性（例えば、熱伝導率、絶縁耐力、または放電抵抗など）を持たせるのに適した１つ以上の付加的な成分（１０８および１１０で示されている）をさらに含んでもよい。例えば、一実施形態において、フィラー１０４は、窒化ホウ素（ＢＮ）をさらに含んでもよい。存在する場合、窒化ホウ素は、加工を容易にするためにポリマーマトリックス１０２中のタルクの荷重全体を低減するのと同時に、タルクを補助して絶縁材１００の熱伝導率をさらに増加させることができる。さらに、別の例では、一実施形態において、フィラー１０４は、酸化物（例えば、酸化亜鉛）をさらに含んでもよい。存在する場合、酸化亜鉛は、相乗的な放電抵抗を可能にすることができ、この結果、絶縁材１００の放電抵抗を増加させる。特定の理論に縛られることを望むものではないが、本発明者らは、酸化亜鉛が、ポリマーマトリックス１０２中でナノクレイ１０６および付加的な成分１０８、１１０を再分布させる放電中のスパッタリング効果を容易にすることができ、この結果、抵抗のより低い表面を形成し、これにより、異方的に電荷／エネルギー散逸を可能にすると考えている。
【００１８】
ポリマーマトリックス１０２は、所望の用途に関して加工適性を有する絶縁材１００に所望の機械的強度を持たせるのに適した任意のポリマーを含んでもよい。例えば、一実施形態において、ポリマーは、ゴム（シリコーンゴムもしくはエチレンプロピレンゴムなど）、ポリウレタン、エポキシ、フェノール、シリコーン、ポリアクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリ四フッ化エチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン（ｐｏｌｙｂｅｎｚｏｔｈｉａｚｉｎｏｐｈｅｎｏｔｈｉａｚｉｎｅ）、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン（ｐｏｌｙｐｙｒａｚｉｎｏｑｕｉｎｏｘａｌｉｎｅ）、ポリピロメリトイミド（ｐｏｌｙｐｙｒｏｍｅｌｌｉｔｉｍｉｄｅ）、ポリキノキサリン、ポリベンゾイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリアンヒドリド、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ハロゲン化ポリビニル、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリウレア、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリブタジエン、ポリイソプレンのうちの少なくとも１つ、またはこれらの組み合わせなどであってもよい。
【００１９】
絶縁材１００は、絶縁材１００に１つ以上の所望の特性（例えば、熱伝導率、絶縁耐力、または放電抵抗など）を持たせるのに適した任意の量のポリマーマトリックス１０２およびフィラー１０４の成分（例えば、ナノクレイ、窒化ホウ素、または酸化亜鉛など）を含んでもよい。例えば、一実施形態において、絶縁材１００は、絶縁材１００の全重量の最大で約７５％または一実施形態では約５０％もしくは約６２．５％の量のポリマーマトリックス１０２を含んでもよい。別の例では、一実施形態において、絶縁材１００は、絶縁材１００の全重量の約３０％〜約４５％または一実施形態では約３５％の量のナノクレイ１０６を含んでもよい。別の例では、一実施形態において、絶縁材１００は、絶縁材１００の全重量の約５％未満の量の酸化亜鉛を含んでもよい。別の例では、一実施形態において、絶縁材１００は、絶縁材１００の全重量の約２０％未満の量の窒化ホウ素を含んでもよい。
【００２０】
フィラー１０４は、ポリマーマトリックス１０２中でのフィラー１０４の所望の分散を実現するのに適した任意の方法によってポリマーマトリックス１０２中に分散されてもよい。例えば、一実施形態において、高剪断混合工程が、ポリマー中に予備乾燥したナノクレイを分散させるために利用されてもよい。剪断は、溶融ブレンド工程において行われてもよいし、または、混合物への超音波エネルギーの適用などの他の手段によって行われてもよい。溶融ブレンド装置の適切な例は、シングルスクリュー押出機またはツインスクリュー押出機などの押出機、バスニーダ（ｂｕｓｓ  ｋｎｅａｄｅｒ）、ロールミル、塗料ミル、ヘリコーン（ｈｅｌｉｃｏｎｅ）、またはこれらの組み合わせなどである。一実施形態において、ポリマーおよびナノクレイの混合物は、成型され、および／または（例えば、以下で説明されるような絶縁テープを形成するために）基材に適用され、その後、熱的に硬化されてもよい。
【００２１】
本発明者らは、発電機などの一部の高電圧用途において、相当量の空間（例えば、側方の隙間）が、発電機に利用される従来の絶縁材の厚さおよび厚さの変動に対応するために特定の部品間に必要とされる場合があることを観察してきた。このため、図２を参照すると、一実施形態において、絶縁材１００は、絶縁テープ２００を形成するために基材２０２上に配置されてもよい。絶縁テープ２００は、本明細書で説明されているような絶縁材１００の利点から恩恵を受ける任意の用途に利用されてもよい。例えば、一実施形態において、絶縁テープ２００は、部品（例えば、発電機またはモータなどの電気機械）上に配置されてもよい。例えば、一実施形態において、絶縁テープ２００は、ステータバー２１０のコア（導電性コア）２０８の１つ以上の表面２０６上に配置されてもよい。
【００２２】
本発明者らは、上述したような絶縁材１００の比較的改善された熱伝達および電気的特性に起因して、絶縁テープ２００が、従来の絶縁材（例えば、雲母ベースの絶縁材）を利用する従来の絶縁テープに比べてより均質であり、より厳しい許容誤差を有することができることを観察した。絶縁テープ２００の均質性およびより厳しい許容誤差は、発電機の部品間に必要とされる側方の隙間の低減を可能にし、これにより、部品間の熱伝達能力をさらに強化し、したがって、出力を増加させ、発電機をより効率的で費用効率の高いものにする。
【００２３】
基材２０２は、電気部品（例えば、ステータバーのコア）への絶縁テープの適用を容易にするのに十分な機械的強度を実現することに適した任意の種類の基材であってもよい。例えば、一実施形態において、基材２０２は、ポリマー含有バッキング（例えば、繊維ガラステープ）であってもよい。
【００２４】
一実施形態において、絶縁テープ２００は、基材２０２と絶縁材１００との間に配置された、雲母を含む層２０４を含んでもよい。使用され得る雲母の例は、アナンダイト、アンナイト、バイオタイト（黒雲母）、バイタイト、ボロムスコバイト、セラドナイト、チェルニカイト、クリントナイト（脆雲母）、エフェサイト、フェリアンナイト、グラウコナイト（海緑石）、ヘンドリックサイト、キノシタライト、レピドライト（リシア雲母）、マストミライト、ムスコバイト（白雲母）、ナンピンガイト、パラゴナイト（ソーダ雲母）、フロゴパイト（金雲母）、ポリリチオナイト、プライスウェルカイト、ロスコウライト（バナジン雲母）、シデロフィライト、ソジウムフロゴパイト、テニオライト（縞状雲母）、バーミキュライト（ヒル石）、ウォネサイト、およびチンワルダイトである。雲母の例示的な形態は、フロゴパイト（ＫＭｇ３ＡｌＳｉ３Ｏ１０（ＯＨ）２）またはムスコバイト（Ｋ２Ａｌ４［Ｓｉ６Ａｌ２Ｏ２０］（ＯＨ，Ｆ）４）である。
【００２５】
基材２０２、絶縁材１００、および層２０４（存在する場合）はそれぞれ、特定の用途に対応するために１つ以上の所望の熱的特性または電気的特性（例えば、上述した特性）を実現するのに適した任意の厚さを有してもよい。例えば、一実施形態において、基材２０２は、約０．５〜約４ミリまたは一実施形態では約２ミリの厚さを有してもよい。別の例では、一実施形態において、絶縁材１００は、約２〜約８または一実施形態では約５ミリの厚さを有してもよい。別の例では、一実施形態において、層２０４は、最大で約２ミリの厚さを有してもよい。
【００２６】
以上のように、電気部品のための絶縁材の実施形態が、本明細書において提示されてきた。少なくとも一実施形態において、本発明の絶縁材は、好適には、従来利用されている絶縁材に比べて増加した熱伝導率、絶縁耐力、放電抵抗を実現することができる。さらに、少なくとも一実施形態において、本発明の絶縁材は、従来利用されている絶縁材を利用した絶縁テープに比べてより薄くてより均質な絶縁テープの製造を可能にすることができる。
【００２７】
本明細書に開示されている範囲は、包含的かつ組み合わせ可能（ｃｏｍｂｉｎａｂｌｅ）である（例えば、「約３０％〜約４５％」の範囲は、「約３０％〜約４５％」の範囲の端点およびすべての中間値を包含する、等）。「組み合わせ」は、ブレンド、混合物、合金、および反応生成物などを包含する。さらに、用語「第１の」および「第２の」などは、本明細書において、いかなる順序、量、または重要性も意味せず、正しくは、要素を互いに区別するために使用され、また、用語「ある（ａ）」および「ある（ａｎ）」は、本明細書において、量の限定を意味せず、正しくは、言及された物品の少なくとも１つの存在を意味する。量に関連して使用される修飾語「約」は、述べられた値を包含し、また、文脈によって決定される意味を有する（例えば、特定の量の測定に付随する誤差の範囲を含む）。本明細書で使用される場合の接尾辞「（ｓ）」は、これが修飾する用語の単数形および複数形の両方を含むことが意図されており、したがって、その用語の１つ以上を含む（例えば、着色剤（ｃｏｌｏｒａｎｔ（ｓ））は、１つ以上の着色剤を含む）。「一実施形態」、「別の実施形態」、および「ある実施形態」などへの、本明細書の全体にわたる言及は、実施形態に関連して説明された特定の要素（例えば、特徴、構造、および／または特性）が、本明細書で説明されている少なくとも１つの実施形態に含まれており、他の実施形態では存在してもしなくてもよいことを意味している。さらに、説明されている要素は、任意の適切な方法で様々な実施形態に組み込まれてもよいことが理解されるべきである。
【００２８】
本発明について、例示的な実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われてもよく、また、同等物が、本発明の要素の代わりを果たしてもよいことが、当業者によって理解されるであろう。さらに、多くの修正が、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために行われてもよい。したがって、本発明が、本発明を実施するために考えられた最良の態様として開示されている特定の実施形態に限定されず、本発明が、添付の特許請求の範囲に含まれるあらゆる実施形態を含むことが意図されている。
【符号の説明】
【００２９】
１００  絶縁材
１０２  ポリマーマトリックス
１０４  フィラー
１０６  ナノクレイ
１０８  付加的な成分
１１０  付加的な成分
２００  絶縁テープ
２０２  基材
２０４  層
２０６  表面
２０８  導電性コア
２１０  ステータバー
【図１】
2015133316.tif 000003
【図２】
2015133316.tif 000004
【外国語明細書】
2015133316000001.pdf