(57)【要約】【課題】耐湿性及び耐圧性が向上した絶縁シートおよびこれを用いた電気機械を得る。【解決手段】絶縁シートは、絶縁材層と、絶縁材層上に積層され、エポキシ樹脂と無機粒子とを含有する樹脂組成シート層と、を有し、樹脂組成シート層は、無機粒子が互いに間隔をあけて分散するように配置され、無機粒子の周囲にエポキシ樹脂の樹脂粒子を集合させた複数の樹脂被覆粒子が互いに接触するように配置されているものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材層と、
前記絶縁材層上に積層され、エポキシ樹脂と無機粒子とを含有する樹脂組成シート層と、を有し、
前記樹脂組成シート層は、前記無機粒子が互いに間隔をあけて分散するように配置され、前記無機粒子の周囲に前記エポキシ樹脂の樹脂粒子を集合させた複数の樹脂被覆粒子が互いに接触するように配置されていることを特徴とする絶縁シート。
【請求項２】
前記樹脂被覆粒子は、前記無機粒子の周囲に静電吸着により前記エポキシ樹脂の前記樹脂粒子を集合させて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の絶縁シート。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の前記絶縁シートが、コイルと鉄心との間に配置されていることを特徴とする電気機械。
【請求項４】
前記絶縁シートの前記樹脂組成シート層は、前記コイルとの接触面に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁シートおよびこれを用いた電気機械に関するものであり、特に、回転電動機などの電気機械に用いる絶縁シートおよびこれを用いた電気機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転電動機のスロットの絶縁に有用な絶縁シートとして、絶縁材および樹脂シート層の２層構造からなる絶縁シートの検討は実施されており、耐湿性を高めるために樹脂に無機粒子を混入した有機絶縁シートを用いている（例えば、特許文献１）。
また、シリカ粒子の表面にプラズマ処理を施し、エポキシ樹脂および硬化剤を含む配合物を混合することによって、シリカ粒子の濡れ性を高め、配合物への吸着力を高める手法が提唱されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２０１２２８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７５３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、たとえば回転電動機などの電気機械は、実運転環境下において、雨や熱帯地域などの高湿環境下に曝されるため、絶縁層の絶縁特性が大きく低下し、駆動電圧で部分放電が発生することにより、短時間で絶縁破壊に至ることが懸念されている。
また、特許文献１および特許文献２に示すように、耐湿性に優れた絶縁材料を用いることで耐湿性は向上するが、樹脂に添加する無機粒子のばらつきによって、初期の絶縁耐力が低下する。そのため、絶縁層の厚みを厚くする必要が生じ、絶縁材のコストならびにサイズ増大に繋がるという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、絶縁層の厚みを増大させることなく、高耐湿かつ高耐圧の絶縁シートおよびこの絶縁シートを用いた電気機械を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係わる絶縁シートは、絶縁材層と、前記絶縁材層上に積層され、エポキシ樹脂と無機粒子とを含有する樹脂組成シート層と、を有し、前記樹脂組成シート層は、前記無機粒子が互いに間隔をあけて分散するように配置され、前記無機粒子の周囲に前記エポキシ樹脂の樹脂粒子を集合させた複数の樹脂被覆粒子が互いに接触するように配置されているものである。
また、この発明に係わる電気機械は、前記絶縁シートが、コイルと鉄心との間に配置されているものである。
さらにまた、この発明に係わる電気機械は、前記絶縁シートの前記樹脂組成シート層が、前記コイルとの接触面に配置されているものである。
【発明の効果】
【０００６】
この発明の絶縁シートによれば、絶縁シートにおける樹脂組成シート層の無機粒子が互いに間隔をあけて分散するように配置されているので、無機粒子界面を進展していく破壊経路が遮断されるため、絶縁寿命を延ばすことができるとともに、絶縁シートを薄肉化することができる。また、無機粒子を均一に分散し、無機粒子の重なりによるバルク方向の破壊経路を長くすることで高耐圧化が可能となる。
また、この発明の電気機械によれば、上記絶縁シートが、コイルと鉄心との間に配置されているので、耐湿性が向上し、高湿環境下においても絶縁性の劣化を抑制することが可能であり、信頼性の高い電気機械を得ることができる。
さらにまた、この発明の電気機械によれば、絶縁シートの樹脂組成シート層が、コイルとの接触面に配置されているので、コイルと絶縁シート間の絶縁弱点部となる空間ギャップが抑制されるため高耐圧化が可能となり、耐湿性の向上も図ることができるので信頼性の高い電気機械を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】この発明の実施の形態１における絶縁シートを用いた回転電動機の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１における図１の要部拡大断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における絶縁シートとコイル部分の断面模式図である。
【図４】比較例における絶縁シートとコイル部分の断面模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１における樹脂組成シート層の内部構造を示す断面模式図である。
【図６】この発明の実施の形態１における樹脂組成シート層と比較例の絶縁材層との耐電圧試験結果を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における樹脂組成シート層と比較例の絶縁材層との耐湿寿命比を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２における樹脂組成シート層の内部構造および製造過程での構成を示した断面模式図である。
【図９】この発明の実施の形態２における絶縁シートを用いた直動電動機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１における回転電動機の断面図を示す。図１に示した回転電動機１は、回転子２とコイル３がステータコア４へ巻回された固定子５とで構成されている。図２は、図１に示す断面６から見たこの発明の実施の形態１における回転電動機の要部断面図である。図２に示した回転電動機の要部断面６において、コイル３とステータコア４との間には絶縁シート７が介在されている。絶縁シート７は、樹脂組成シート層８と絶縁材層９から構成されている。
回転電動機１は、一般的に様々な環境下で使用され、特に、高湿度環境下では特許文献１の構造では、絶縁シートが吸湿した場合、絶縁特性が大きく低下するため絶縁層を厚くする必要があり、占積率の低下や機器の大型化が懸念されていた。外部の水分は、絶縁シート７のバルク内部を拡散したり、コイル３と絶縁シート７の界面部を浸透したりする。これにより、電界が高いコイル３と絶縁シート７との空間ギャップの絶縁性が低下し、絶縁破壊が生じる可能性があった。
【０００９】
耐湿性を上げるには、絶縁シート７内の水分の拡散を遅くするか、水分の注入経路を遮断すれば良い。一般的な絶縁樹脂組成物は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの無機物の粒子を充填した構造となっている。水の拡散を抑制するためには粒子充填量を少なくし、水の経路となる粒子の壁面をなくせばよいが、放熱性が低下するため粒子充填量を減少することは出来ない。一方、水分の注入経路を遮断するには、封止樹脂を用いて固定子５およびコイル３全体をモールドすればよいが、封
止樹脂と絶縁シート７との接着強度を上げる必要があり、接着性を上げるために封止樹脂や絶縁シート７の表面改質を実施すると高コスト化するためメリットが少ない。
実施の形態１では、絶縁材層９のコイル３との接触面に耐湿性の高いエポキシ樹脂（フェノール系）などの樹脂組成シート層８を配置する。具体的な樹脂組成シート層８としては、例えば、フェノール系のエポキシ樹脂などの樹脂１１に、溶融シリカなどの無機粒子１０を、５０から９０ｖｏｌ％で充填したものを用いることができる。
【００１０】
図３は、この発明の実施の形態１における回転電動機の絶縁シートとコイル部分の断面模式図である。また、図４は、比較例における回転電動機の絶縁シートとコイル部分の断面模式図である。図４に示すように、絶縁材層９のみをコイル３とステータコア４間に設けた場合は、コイル３と絶縁材層９の間に空間ギャップ１７が生じる。サージなどによる高電圧や、高湿環境下などによる絶縁性の低下が生じると、空間ギャップ１７で部分放電が発生する。回転電動機、特にインバータで駆動される場合には、高いキャリア周波数で部分放電が発生することにより絶縁材が劣化し、短時間で絶縁破壊に至ることが懸念される。
一方、この発明の実施の形態１における絶縁シート７は、樹脂組成シート層８をコイル３との接触面に形成することによって、空間ギャップ１７を小さくすることができる。これにより、部分放電の発生を抑制することが可能である。
【００１１】
図３に示すような空間ギャップ１７を抑制した構成は、コイル３をステータコア４に巻回した後に加熱することにより、樹脂組成シート層８を硬化させることで実現できる。
また、コイル３を巻回した後に、樹脂組成シート層８を硬化させることにより、コイル３自体の固定も可能であり、接触面積が増大することにより熱交換能力が向上し、コイル３の放熱性を改善することが可能となる。
図５は、実施の形態１における樹脂組成シート層８の内部構造を示す断面模式図である。図５に示すように、樹脂組成シート層８は、シリカ粒子などの無機粒子１０が互いに距離をあけて樹脂１１中に均一に分散して配置されるように構成されたものである。これにより、シリカ粒子などの無機粒子１０界面の重なりによる樹脂組成シート層８のバルク方向に対する破壊経路１２を長くすることによって高耐圧化が得られる。
【００１２】
図６は、乾燥状態での実施の形態１における樹脂組成シート層と比較例の絶縁材層の耐電圧試験結果を示す図である。図６において、（Ｃ）は、比較例であり、単に無機粒子と樹脂材料を混入して絶縁層を形成した場合を示し、（Ｅ）は、この発明の実施の形態１の樹脂組成シート層８のように、シリカ粒子などの無機粒子１０が互いに距離をあけて樹脂１１中に分散するように形成した場合を示す。また、図６において、（Ｒ）は、エポキシ樹脂単体で絶縁層を形成した場合を示す。
図６に示すように、単にシリカ粒子と樹脂材料を混入して絶縁層を形成した比較例の場合（図６中のＣ）に対し、この発明の実施の形態１の樹脂組成シート層８のように、シリカ粒子などの無機粒子１０が互いに距離をあけて樹脂１１中に分散するように形成した場合（図６中のＥ）の方が優れた破壊耐圧を得られ、最も強固であるエポキシ樹脂単体で絶縁層を形成した場合（図６中のＲ）の破壊耐圧には及ばないものの、それに近い破壊耐圧を得られることがわかる。
【００１３】
また、図７は、この発明の実施の形態１における樹脂組成シート層と比較例の絶縁材層との耐湿寿命比を示す図である。図７では、吸湿状況下（例えば温度８５℃、湿度８５％）において、一定電圧を印加した場合の破壊までの時間比を表している。図７において、比較例の場合は、短時間で吸湿して飽和するが、この発明の実施の形態１における樹脂組成シート層８（耐湿層有り）の絶縁シート７の構造を適用することで、吸湿する速度が遅くなり飽和までの時間が長くなる。図７に示すように、この発明の実施の形態１における絶縁シート７の構造を適用した場合、比較例に対して約８倍寿命が延ばすことができる。
【００１４】
更に詳細に説明すると、シリカ粒子などの無機粒子１０を分散させることで、充填量をあげることができ、他の構造材との熱膨張係数の差を小さくすることで水分の浸入路となる剥離や応力集中によるクラックの発生を防止できるため、欠陥の無い場合の高樹脂本来の高い耐湿性を発揮できる。特に、この発明の実施の形態１では、樹脂自体の耐湿性が高い（吸湿性が低い）フェノール系エポキシ樹脂を用いているので、上述のシリカ粒子などの無機粒子１０の分散による作用が顕著に発現し、高い耐湿性を有した樹脂組成シート層８を得ることができる。
なお、シリカ粒子などの無機粒子１０の形状としては、尖っている破砕シリカではなく、球状の溶融シリカを適用すれば電界集中が低減でき、より高耐圧化が得られるのはいうまでもない。
【００１５】
実施の形態１においては、樹脂組成シート層８を設けることによって、高湿環境下においても絶縁性の劣化を抑制することが可能である。また、従来は環境劣化においても放電を発生させなくするために絶縁層の厚みを厚くすることが必須であり、コストの増大や機器の大型化、占積率の低下に繋がっていた。しかし、この発明の実施の形態１では、これらの課題に対して、シリカ粒子などの無機粒子１０が互いに距離をあけて樹脂１１中に均一に分散して配置された樹脂組成シート層８の構造としたため、耐湿性が向上し、絶縁層の厚みを厚くすることなく信頼性の高い電気機械を提供することが可能となる。
また、絶縁シート７は、コイル３を巻回した後に樹脂組成シート層８を完全に硬化させることによって、コイル３の固着およびコイル３と絶縁シート７間の空間ギャップ１７を埋めるように構成することで、部分放電を抑制することが可能となる。
【００１６】
実施の形態２．
図８は、樹脂組成シート層８を形成するための製造工程中の断面図である。熱サイクルや電気機械の製造プロセスでの加熱等による樹脂組成シート層８や絶縁材層９、コイル３、ステータコア４の伸縮に伴う剥離を抑制するため、樹脂組成シート層８にはα調整として特にシリカ粒子などの無機粒子１０の混入が必須である。なお、αは線膨張係数であり、構成する部材間の界面の線膨張係数を同程度にする必要がある。
図８において、シリカ粒子などの無機粒子１０の周囲には、樹脂１１の樹脂粒子１３が配置され、樹脂被覆粒子１４を構成している。図８に示すように、樹脂１１を無機粒子１０の径よりも小さな、例えばナノ形態の樹脂粒子１３にし、シリカ粒子などの無機粒子１０の表面を樹脂粒子１３が覆う樹脂被覆粒子１４を作成する。そして、作成した樹脂被覆粒子１４を分散させたペースト１５を絶縁材層９に塗布し、乾燥後、反応を促進させるための加熱をして樹脂粒子１３で構成される樹脂１１を溶融させ、加熱して硬化させる。これにより、樹脂粒子１３で構成される樹脂１１が、無機粒子１０間に確実に介在する。つまり、確実に無機粒子１０間に樹脂１１が存在するような構成を実現できる。
【００１７】
なお、樹脂組成シート層８におけるシリカ粒子などの無機粒子１０表面へのナノ粒子形態の樹脂粒子１３を配置する方法として、例えば静電吸着法を適用することで実現可能である。静電吸着法とは、例えば、樹脂と粒子などをそれぞれ異なる電解質溶液を用いてプラス・マイナスに帯電させ、静電引力で吸着させる方法である。つまり、無機粒子１０をほぼ等間隔に充填させる方法として、静電吸着を用いて、無機粒子１０の周囲に絶縁材である樹脂粒子１３を殻状に集合させた樹脂被覆粒子１４を形成し、この樹脂被覆粒子１４が互いに接触するように配置する。その後、樹脂１１を加熱することにより硬化させることで、無機粒子１０が互いに接触したり重なることのない状態の樹脂組成シート層８を形成することができる。
これにより、樹脂組成シート層８は、シリカ粒子などの無機粒子１０が互いに距離をあけて樹脂１１中に均一に分散して配置された構造となることが可能となり、シリカ粒子などの無機粒子１０界面の重なりによる樹脂組成シート層８のバルク方向に対する破壊経路１２を長くすることによって高耐圧化を図ることができる。
【００１８】
なお、実施の形態１においては、理解を容易にするために回転電動機１のコイル３とステータコア４間に挿入する絶縁シート７として用いる例を示しているが、ブスバーや結線板などの電気機械の種々の絶縁部材としても実施の形態１の絶縁シート７は有用である。
また、例えば、電気機械として、リニアモータなどに用いられる直動電動機への適用も可能である。
図９は、この発明の実施の形態２における絶縁シートを用いた直動電動機の断面図である。図９に示すように、電気機械としてリニアモータなどに用いられる直動電動機１６は、コア２１とコア２１の間にコイル２０を備えている。また、コイル２０とコア２１間に、絶縁シート７が挿入されている。また、直動電動機１６は、コア２１と空間１８を挟んで配置された磁石１９を備えている。図９に示すように、実施の形態２においては、例えば直動電動機１６などの電気機械のコイル２０とコア２１（鉄心）に挿入される絶縁シート７として利用することができる。
また、絶縁シート７は、変圧器などのコイル間及びコイルと鉄心間へ適用することも可能である。
【００１９】
以上のように、実施の形態１および実施の形態２における絶縁シート７を電気機械に適用する。電気機械が回転電動機の場合は、回転子と、この回転子の外周に対向して配置され、複数のステータコアを有する固定子と、このステータコアに巻回されたコイルと、このコイルとステータコアの間に挿入され、絶縁材層と絶縁材層上に積層された樹脂組成シート層とを含む絶縁シートとを備え、樹脂組成シートは、エポキシ樹脂と無機粒子とを含有し、無機粒子が互いに間隔をあけて分散するように、無機粒子の周囲にエポキシ樹脂の樹脂粒子を集合させた複数の樹脂被覆粒子が互いに接触して配置されているものである。これにより、高耐湿と高耐圧を兼ね備えた電気機械を得ることができる。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【００２０】
以上の実施の形態１および実施の形態２では、樹脂に無機粒子が互いに間隔をあけて分散するように配置した絶縁シートに関して述べた。同様に、無機粒子が互いに間隔をあけて分散するように配置したワニスを作製することで、ワニスの絶縁性能を向上させることができる。さらには、このワニスをコイルへ含浸処理することで、高耐圧な電動機を得ることもできる。
【符号の説明】
【００２１】
１  回転電動機、２  回転子、３  コイル、４  ステータコア、５  固定子、６  断面、７  絶縁シート、８  樹脂組成物シート層、９  絶縁材層、１０  無機粒子、１１  樹脂、１２  破壊経路、１３  樹脂粒子、１４  樹脂被膜粒子、１５  ペースト、１６  直動電動機、１７  空間ギャップ、１８  空間、１９  磁石、２０  コイル、２１  コア。
【図６】
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【図７】
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【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８】
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【図９】
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