(57)【要約】【課題】電気抵抗特性が安定し、且つ優れた放電抑制特性を持つ電界緩和材料を得ることにある。【解決手段】非線形抵抗を持つ粒子５と線形抵抗を示す粒子を樹脂中に分散してなる複合材料において、前記線形抵抗を示す粒子６の体積比率が、前記非線形抵抗を持つ粒子を除く体積に対する線形抵抗を示す粒子の体積比率をｐとした場合に、非線形を示さない電界で測定した電気抵抗ρとｐの間にｌｏｇρ∝（ｐ−ｐｃ）−２なる関係が示されるある体積比率ｐｃ以上とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形抵抗を持つ粒子と線形抵抗を示す粒子を樹脂中に分散してなる複合材料において、
前記線形抵抗を示す粒子の体積比率が、前記非線形抵抗を持つ粒子を除く体積に対する線形抵抗を示す粒子の体積比率をｐとした場合に、非線形を示さない電界で測定した電気抵抗ρとｐの間にｌｏｇρ∝（ｐ−ｐｃ）−ｋ（ｋは正の整数）なる関係が示されるある体積比率ｐｃ以上であることを特徴とする電界緩和材料。
【請求項２】
請求項１記載の電界緩和材料において、非線形抵抗を示す粒子が炭化珪素であることを特徴とする電界緩和材料。
【請求項３】
請求項１記載の電界緩和材料において、線形抵抗を示す材料が四三酸化鉄又は酸化錫であることを特徴とする電界緩和材料。
【請求項４】
請求項１記載の電界緩和材料において、非線形抵抗を示す粒子が炭化珪素であり、線形抵抗を示す粒子が四三酸化鉄又は酸化錫であることを特徴とする電界緩和材料。
【請求項５】
請求項１、請求項３、請求項４のいずれかに記載の電界緩和材料において、線形抵抗を示す粒子の体積抵抗率が１０７．２５〜１０１０．５Ωｍであることを特徴とする電界緩和材料。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電界緩和材料をテープ状又はシート状に成形したことを特徴とする電界緩和部材。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電界緩和材料をガラスクロス、ポリエステルクロス等の基材に塗布あるいは含浸したことを特徴とする電界緩和部材。
【請求項８】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電界緩和材料をコイル部に塗布して電界緩和層を形成したことを特徴とする電磁コイル。
【請求項９】
請求項６又は請求項７記載の電界緩和部材をコイル部に巻き付けて電磁緩和層を形成したことを特徴とする電磁コイル。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電界緩和材料と低電界の電気抵抗率が非線形抵抗を示す充填材の低電界での固有抵抗以上である電界緩和材料を２段階にして設けたことを特徴とする電磁コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安定した電気抵抗特性を有する電界緩和材料及びこの材料を用いた電界緩和部材並びに電磁コイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電界を和らげることを目的として、高電界を発生する導体端部、例えば電磁コイルのコイルエンド部に電界緩和材を設けることが知られている。
【０００３】
この電界緩和材としては、電界に対して非線形な抵抗を持つ炭化珪素（ＳｉＣ）と四三酸化鉄を組合せたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１４は、かかる電磁コイルのコイルエンド部を示す断面図である。
【０００５】
図１４において、１はコイル導体で、このコイル導体１の周囲部には絶縁層２が形成され、その外周面に電界緩和材として導電性塗料層３とＳｉＣ塗料層４を組合せて設けられている。
【０００６】
この材料は、優れた電界緩和効果を示すが、一方で周囲の状況、例えば製造時の温度条件や配合比のばらつきなどが変化した場合、それに伴って電界緩和能力が低下することがあった。
【０００７】
【特許文献１】
特公昭６１−３７７２１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように電界緩和材の特性が周囲の条件によりばらつくと、製品の性能低下につながる。特に機器の高電圧化が進む中、許容される特性のばらつきは狭くなってきている。
【０００９】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、周囲条件の変化に対して鈍感な特性を持つ安定した且つ放電抑制特性に優れた電界緩和材料及びこの材料を用いた電界緩和部材並びに電磁コイルを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような電界緩和材料とするものである。
【００１１】
本発明は、非線形抵抗を持つ粒子と線形抵抗を示す粒子を樹脂中に分散してなる複合材料において、前記線形抵抗を示す粒子の体積比率が、前記非線形抵抗を持つ粒子を除く体積に対する線形抵抗を示す粒子の体積比率をｐとした場合に、非線形を示さない電界で測定した電気抵抗ρとｐの間にｌｏｇρ∝（ｐ−ｐｃ）−ｋ（ｋは正の整数）なる関係が示されるある体積比率ｐｃ以上である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態における電界緩和材料の組成を示す模式図である。
【００１４】
本実施形態では、図１に示すように非線形抵抗を持つ粒子５と線形抵抗を示す粒子６の塊をバインダー樹脂７中に分散してなる複合材料において、線形抵抗を示す粒子５の体積比率が、非線形抵抗を持つ粒子を除く体積に対する線形抵抗を示す粒子の体積比率をｐとした場合に、非線形を示さない電界で測定した電気抵抗ρとｐとの間にｌｏｇρ∝（ｐ−ｐｃ）−ｋ（ｋは正の整数）なる関係が示されるある体積比率ｐｃ以上としたものである。
【００１５】
図２は、高密度ポリエチレン中にカーボン粒子を充填した材料の抵抗と配合比の関係を示したものである。
【００１６】
樹脂に金属粒子や導電性の粒子を分散させると、電気抵抗は２ヶ所の折れ曲がりを持つ曲線で示されることが知られている。この現象はパーコレーション理論により説明される。
【００１７】
これまでの研究で、特に高充填量側の折れ曲がる点は、パーコレーション閾値ｐｃであり、導電性粒子の体積比率ｐと抵抗ρの間には、ｌｏｇρ∝（ｐ−ｐｃ）−ｋ（ｋは正の整数）なる関係があることが示されている。
【００１８】
この考え方は、１種類の充填材を配合した材料に対して有効であることが知られていた。本発明者等は、この理論に関して２種類の充填材を含む系に拡大する研究を進めると共に、非線形抵抗を含む系に拡大する研究を進めた結果、非線形抵抗を示す炭化珪素と線形抵抗を持つ四三酸化鉄を充填した複合材料において、四三酸化鉄のパーコレーション閾値ｐｃ（Ｆｅ３Ｏ４）は、他方である炭化珪素粒子を除いた体積に対する体積比率ｐ（Ｆｅ３Ｏ４）と低電界の抵抗ρの間にｌｏｇρ∝（ｐ−ｐｃ）−ｋ（ｋは正の整数）なる関係が示されることを明らかにした。
【００１９】
すなわち、図１において、非線形抵抗を示す粒子５と線形抵抗を示す粒子６の塊をバインダー樹脂７中に分散した電界緩和材料を考えた場合、低電界領域の電気抵抗を決定する線形低抵抗を示す粒子が作る電気伝導路に注目する。このとき、パーコレーション閾値として、非線形抵抗を示す粒子を除いた体積に対して考えた場合の浸透現象を考えればよいことを編み出したものである。
【００２０】
図３は、非線形抵抗材料である炭化珪素粒子を全体量に対して２４．３ｖｏｌ％含んだポリブタジエン樹脂に線形抵抗材料である四三酸化鉄を分散した複合材料の低電界領域での体積抵抗率を示すもので、２つの折れ曲がり曲線を持つ曲線で描かれている。
【００２１】
このパーコレーション閾値直下の領域では、体積比率の変化量に対して電気抵抗が大きく変化する領域にあると考えることができるため、本発明者等は特にこのパーコレーション閾値以上の配合比に注目し、材料を製造することを考え出した。
【００２２】
図４は、炭化珪素と四三酸化鉄をポリブタジエン中に分散させた電界緩和材料をガラスクロステープに塗布し、乾燥させた後、溶解性の高い溶媒中に浸漬し、その後取り出して硬化させたテープ状サンプルの電気抵抗値を示している。
【００２３】
図４において、横軸が炭化珪素を除く樹脂分の体積に対する四三酸化鉄の体積比率を示している。
【００２４】
ここで、これらのテープ材料に対するパーコレーション閾値は、上述の式を用いて溶解性の高い溶媒中に浸漬せずに硬化させたテープ材料の低電界領域の電気抵抗と配合比の関係から、１２ｖｏｌ％であることが分かった。
【００２５】
本実施形態では、炭化珪素を除く樹脂分の体積に対する四三酸化鉄の体積比率が、パーコレーション閾値（１２ｖｏｌ％）以上であることが特徴であり、体積比率として１５ｖｏｌ％を採用した。
【００２６】
比較例として、炭化珪素を除く樹脂分の体積に対する四三酸化鉄の体積比率が、１０ｖｏｌ％と１１ｖｏｌ％のものを示すが、明らかに１２ｖｏｌ％以下ではばらつきが大きく、特性が不安定になることが示されている。
【００２７】
このように第１の実施形態では、非線形抵抗を持つ粒子５と線形抵抗を示す粒子６の塊をバインダー樹脂７中に分散してなる複合材料において、線形抵抗を示す粒子５の体積比率が、非線形抵抗を持つ粒子を除く体積に対する線形抵抗を示す粒子の体積比率をｐとした場合に、非線形抵抗を示さない電界で測定した電気抵抗ρとｐとの間にｌｏｇρ∝（ｐ−ｐｃ）−ｋ（ｋは正の整数）なる関係が示されるある体積比率ｐｃ以上とすることにより、電気抵抗特性の安定した電界緩和材料を得ることができる。
【００２８】
なお、非線形抵抗を示す粒子としては、炭化珪素のほかに酸化亜鉛が考えられる。
【００２９】
図５は、本発明の第２の実施形態における電界緩和材料の組成を示す模式図で、図１と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００３０】
第２の実施形態では、図５に示すように線形抵抗を示す粒子８の体積抵抗率が１０７．２５〜１０１０．５Ωｍとするものである。
【００３１】
非線形抵抗を示す粒子５と線形抵抗を示す粒子６を樹脂中に含む複合材料であるが、この線形抵抗６を示す粒子が１０７．２５〜１０１０．５Ωｍの抵抗を持つ。
【００３２】
図６は、コイル導体周囲にマイカ層による主絶縁を形成し、その周囲に電界緩和層を設けると共に、中心部に電極を設け、この中心部をアース電位として、コイル導体に高電圧を印加した場合の沿面放電破壊電圧と電界緩和層の電気抵抗率の関係を示したものである。
【００３３】
沿面放電破壊電圧は、電気抵抗率に対して凸の形状を呈している。ここで、回転電機のコイルは、定格電圧をＥとして、３×ＥＶの耐圧試験に合格する必要がある。図６に示したコイルは、２３ｋＶ級コイルであるため、破壊電圧として６９ｋＶ以上の値を示す必要がある。この観点から、電界緩和材料として、１０７．２５〜１０１０．５Ωｍの抵抗を持つことが好ましい。
【００３４】
本発明者等は、非線形抵抗特性を示す炭化珪素素子と線形抵抗を示す四三酸化鉄の複合材料の非線形抵抗特性を様々な配合比に対して測定し、これらの複合材料の非線形抵抗特性は、図７に示す非線形抵抗を示す炭化珪素粒子からなる伝導路に起因する非線形抵抗９と線形抵抗を示す四三酸化鉄からなる伝導路に起因する線形抵抗１０の平行回路によって説明できることを明らかにした。
【００３５】
すなわち、低電界領域の抵抗値は線形抵抗を示す粒子の体積抵抗率に依存して変化する。しかも、線形抵抗を示す粒子の配合比が非線形抵抗を持つ粒子を除く体積に対する線形抵抗を示す粒子の体積で考えた場合のパーコレーション閾値以上であれば、材料の物性は線形抵抗を示す粒子の抵抗と極めて近づいた値になるからである。
【００３６】
そこで、線形抵抗を示す粒子の電気抵抗率が１０７．２５〜１０１０．５Ωｍであれば、極めて安定した、優れた放電抑制特性を持つ電界緩和材を得ることができる。
【００３７】
このような材料として、酸化錫を用いた試験を行った。非線形抵抗を示す粒子として酸化珪素を用い、線形抵抗を示す粒子として酸化錫を用いて、エポキシ樹脂中に混練し、しかる後硬化させて作成した板材料の体積抵抗率を測定した。酸化錫は高電界で弱い非線形を示すが、炭化珪素と比較して弱いため、線形と同様の動きになる。
【００３８】
図８は、この材料の体積抵抗率の電界依存性を示すグラフである。低電界の体積抵抗が１０８Ωｍであり、適した非線形抵抗を得ることができた。また、公知文献１にも記載されているように、１ｋｖ／ｃｍの電界での表面抵抗率は１０８Ωｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
通常電界緩和層の厚みは、１ｍｍ程度であることから、体積抵抗率に換算すると１０５Ωｍである。図８から明らかなように、この材料はいずれの特性も満足する。
【００４０】
このように第２の実施形態では、線形抵抗を示す粒子８の体積抵抗率を１０７．２５〜１０１０．５Ωｍとすることにより、電気抵抗特性が安定し、且つ電界緩和能力の高い非線形抵抗材料を得ることができる。
【００４１】
なお、線形抵抗を示す粒子としては、酸化錫のほかに酸化クロム、酸化チタンなどが挙げられる。
【００４２】
図９は、本発明の第３の実施形態における電界緩和部材を示す斜視図である。
【００４３】
第３の実施形態では、図９に示すように前述した第１又は第２の実施形態で得られた電界緩和材料をシート状に成形して電界緩和部材１１を構成したものである。
【００４４】
第１又は第２の実施形態で得られた電界緩和材は電気抵抗性に優れた材料であり、この材料を塗料として用いることも可能であるが、例えば電磁コイルのコイルエンド部に塗布して使用する場合、斑になることがあり、その結果抵抗値にばらつきが発生するため、抵抗が低下してしまうことがある。
【００４５】
そこで、予め本電界緩和材をシート状に加工することにより安定した特性を得ることができる。
【００４６】
また、図１０に示すように電界緩和材料１３をクロスに塗布してテープ状にすることも可能である。この方法によれば、柔軟性が高く、電界緩和を行う対象物に密着しやすい構成を得ることができる。これらの塗料を塗布又は含浸する基材は、ポリエステルテープやコロナ侵食に強いガラス繊維の紡績、貼り合わせ、ロービング材を用いることが望ましい。
【００４７】
このように第３の実施形態では、第１又は第２の実施形態で得られた電界緩和材料をシート状又はテープ状に成形して電界緩和部材を構成することにより、作業性に優れ、電気抵抗が安定し、且つ優れた放電抑制特性を持たせることができる。
【００４８】
図１１は、本発明の第４の実施形態を示すコイルエンド部の斜視図である。
【００４９】
第４の実施形態は、図１１に示すように第３の実施形態で得られたテープ状の電界緩和部材１１をコイルエンド部に巻き付け、電界緩和層を形成するようにしたものである。
【００５０】
本実施形態では、回転機器の電磁コイルを対象として、絶縁を施した導体を束ねた後に主絶縁層であるマイカ層を巻回し、しかる後第３の実施形態で得られたテープ状の電界緩和部材１１を巻回し、樹脂含浸した後、押え板にてコイルの周囲を押え、スプリングにて保持した後、加温して硬化させて試験コイルを製作した。この場合、含浸レジンとしてバインダー樹脂と相溶性の高い溶剤を用いた。
【００５１】
このコイルの周囲にギャップ長１０ｍｍの電極を銀ペーストにて設けて電気抵抗を測定した。
【００５２】
表１は、低電界での抵抗値及び抵抗値のばらつきを示している。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
この表より明らかなように四三酸化鉄の配合比がパーコレーション閾値直下のサンプルはばらつきが大きく、本実施形態はいずれも抵抗が安定していることが分かる。
【００５５】
このように本実施形態では、第３の実施形態で得られたテープ状の電界緩和部材１１をコイルエンド部に巻き付けて電界緩和層を形成することにより、安定した沿面放電特性を持つ電磁コイルを得ることができる。
【００５６】
図１２は、本発明の第５の実施形態を示す電磁コイルの構成図である。
【００５７】
本実施形態は、図１２に示すようにコイル１６の導体に第１又は第２の実施形態で得られた電界緩和材料による電界緩和層１８と低電界の電気抵抗率が非線形抵抗を示す充填材の固有抵抗以上である電界緩和材料による電界緩和層１９を２段階にして設けるようにしたものである。
【００５８】
電界緩和層の最も重要な特性は、コイルエンド部の沿面放電を抑制する点にある。図１１に示すように導体外周に施されている主絶縁層１５の外周には、固定子鉄心内部の放電防止用の導電性層が形成され、且つこの導電性層端に電気的に接触させて本実施形態の電界緩和層を設ける。
【００５９】
ここで、電界緩和層の電気抵抗としては、高すぎると導電性層と電界緩和層のつなぎ目部に高い電界が生じてしまうため、このつなぎ目部に放電が発生し易くなる。また、抵抗が低すぎるとコイルに与える電圧が高い場合には、電界緩和層端においても十分な電位上昇ができず、電界緩和層端にて放電を生じる。
【００６０】
そこで、第２の実施形態で得られた電界緩和材料を用いれば、最適な電界緩和を行うことができる。また、電圧の高いコイルの放電を抑制する方法として、抵抗の異なる電界緩和層を２段階に分けて用いる方法がある。
【００６１】
図１２において、電界緩和層１８は、非線形抵抗を示す充填材として炭化珪素を４０ｖｏｌ％、線形抵抗を示す充填材として四三酸化鉄を炭化珪素を除く体積に対して１５ｖｏｌ％をポリブタジエンに混練して形成したもので、第１の実施形態と同様の材料である。
【００６２】
また、電界緩和層１９は、非線形抵抗を示す炭化珪素を４０ｖｏｌ％、線形抵抗を示す充填材として四三酸化鉄を炭化珪素を除く体積に対して５ｖｏｌ％をポリブタジエンに混練して形成したもので、第１の実施形態で述べたように電気抵抗率は、配合比に対して２つの変極点を持つ曲線で描かれる。
【００６３】
高充填側の変極点にあたるパーコレーション閾値以上の領域では、電気抵抗率が安定することは既に述べた。同様に低充填側の変極点以下の領域でも電気抵抗が安定することが期待される。低充填側の変極点とは、図７に示した等価回路において、線形抵抗が存在しない状態、すなわち非線形抵抗を示す粒子の抵抗にのみ規定される領域であると判断できる。つまり、低電界の電気抵抗率が非線形抵抗を示す充填材の固有抵抗以上である材料を作ることによって安定した特性の材料が得られる。
【００６４】
図４に示したように四三酸化鉄の量が少なく、溶剤に浸漬する前の低電界の電気抵抗率が炭化珪素の低電界の固有抵抗率より高い材料は、浸漬後の抵抗値が安定していることが分かる。
【００６５】
しかしながら、図６に示したようにかかる高い抵抗値を持つ材料は、単独では十分な放電抑制能力を持たないことが分かる。そこで、図１２に示したような構成が考えられる。
【００６６】
電界緩和層１８の体積抵抗率は、１０６Ωｍ程度であり、電界緩和層１９の体積抵抗率は１０１１Ωｍ程度であった。これら単独では良い特性が得られないと考えられる。
【００６７】
図１３は、電界緩和層１８と電界緩和層１９及びこれらを２段階で組合せた場合の可視レベルでの沿面放電開始開始電圧及び沿面破壊電圧を示している。
【００６８】
従って、両者を組合せることにより、高い放電抑制能力を得ることができる。
【００６９】
このように本実施形態によれば、第１又は第２の実施形態で得られる電界緩和材料と低電界の電気抵抗率が非線形抵抗を示す充填材の固有抵抗以上である電界緩和材料を２段階にして設けることにより、安定して且つ沿面放電破壊電圧が高い電磁コイルを得ることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、電気抵抗特性が安定し、且つ優れた放電抑制特性を持つ電界緩和材料及びこの材料を用いた電界緩和部材並びに電磁コイルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における電界緩和材料の組成を示す模式図。
【図２】同実施形態において、高密度ポリエチレン中にカーボン粒子を充填した材料の抵抗と配合比の関係を示図。
【図３】同実施形態において、炭化珪素、四三酸化鉄と樹脂の複合材料の体積抵抗率及び配合比の関係を示す曲線図。
【図４】同実施形態において、溶剤に浸漬したときの抵抗のばらつきを示す図。
【図５】本発明の第２の実施形態における電界緩和材料の組成を示す模式図。
【図６】同実施形態において、沿面破壊電圧と抵抗の関係を示す図。
【図７】同実施形態において、非線形抵抗材料の特性を示す等価回路図。
【図８】同実施形態において、酸化錫、炭化珪素と樹脂の複合材料の体積抵抗率の電界依存性を示す図。
【図９】本発明の第３の実施形態における電界緩和部材を示す斜視図。
【図１０】同実施形態において、ガラスクロスに塗布して構成される電界緩和部材を示す図。
【図１１】本発明の第４の実施形態を示すコイルエンド部の斜視図。
【図１２】本発明の第５の実施形態を示す電磁コイルの構成図。
【図１３】同実施形態において、沿面破壊電圧と比較例との比較を示す図。
【図１４】従来の電界緩和部材を施したコイル導体を示す断面図。
【符号の説明】
５……非線形素子
６……線形抵抗粒子の塊
７……バインダー樹脂
８……線形抵抗素子
９……非線形抵抗
１０……線形抵抗
１１……電界緩和部材
１２……線形抵抗
１３……電界緩和材料
１４……コイル導体
１５……主絶縁層
１６……コイル
１７……低抵抗塗料
１８．１９……電界緩和層
【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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【図８】
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【図９】
2004165355.tif 000012
【図１０】
2004165355.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
2004165355.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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