(57)【要約】      （修正有）【課題】ボイドや剥離が発生していても長寿命を達成することのできるモールドコイル、そのモールドコイルの製造方法、及びそのモールドコイルを実装した機器を提供する。【解決手段】モールドコイル１は、コイル１１に注型樹脂１２を注型して成る。コイル１１は、金属電線を絶縁皮膜で覆った巻線１５が径方向に幾重にも捲回され、巻線１５の層間に絶縁紙１３が挟み込まれて成る。このモールドコイル１は、ボイド又はコイル１１と注型樹脂１２との間の剥離により空隙１４が生じる場合があるが、この空隙１４には、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスがパージされているようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属電線を絶縁皮膜で覆った巻線が幾重にも捲回され、巻線の層間に絶縁紙が挟み込まれて成るコイルと、
前記コイルに注型された樹脂と、
ボイド又は前記コイルと前記樹脂との間の剥離により生じた空隙部と、
を備え、
前記空隙部には、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスが予めパージされていること、
を特徴とするモールドコイル。
【請求項２】
前記ガスは、窒素、希ガス、及び部分放電によりオゾンを発生させないガスの群から選ばれる１種又は２種以上の混合物であること、
を特徴とする請求項１記載のモールドコイル。
【請求項３】
前記希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノンの群から選ばれる１種又はこれら２種以上の混合気体であること、
を特徴とする請求項２記載のモールドコイル。
【請求項４】
前記部分放電によりオゾンを発生させないガスは、水素、二酸化炭素、ＣＣｌ３Ｆガス、Ｃ２Ｆ２ガス、ＣＦ４ガス、Ｃ２Ｆ３Ｈ３ガス、Ｃ２Ｆ４Ｈ２ガスの群から選ばれる１種又は２種以上の混合気体であること、
を特徴とする請求項２記載のモールドコイル。
【請求項５】
前記空隙部の圧力は、前記コイルの導体間の絶縁距離と当該圧力の積が前記ガスのパッシェン曲線の最低火花電圧となる値よりも高くなること、
を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のモールドコイル。
【請求項６】
前記樹脂、前記絶縁皮膜、又は絶縁紙に充填されたオゾン吸着材を更に備えること、
を特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のモールドコイル。
【請求項７】
金属電線を絶縁皮膜で覆った巻線が幾重にも捲回し、前記巻線の層間に絶縁紙を挟み込むことで、コイルを作製し、
前記コイルを注型炉に設置し、
前記注型炉内を、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスで満たした上で、前記コイルに樹脂を注型すること、
を特徴とするモールドコイルの製造方法。
【請求項８】
前記樹脂を、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスの環境下で混合及び真空引きし、前記コイルに注型すること、
を特徴とする請求項７記載のモールドコイルの製造方法。
【請求項９】
前記樹脂の注型前に、前記空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスの環境下で前記コイルを乾燥させること、
を特徴とする請求項７記載のモールドコイルの製造方法。
【請求項１０】
前記ガスは、窒素、希ガス、及び部分放電によりオゾンを発生させないガスの群から選ばれる１種又は２種以上の混合物であること、
を特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載のモールドコイルの製造方法。
【請求項１１】
前記希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノンの群から選ばれる１種又はこれら２種以上の混合気体であること、
を特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載のモールドコイルの製造方法。
【請求項１２】
前記部分放電によりオゾンを発生させないガスは、水素、二酸化炭素、ＣＣｌ３Ｆガス、Ｃ２Ｆ２ガス、ＣＦ４ガス、Ｃ２Ｆ３Ｈ３ガス、Ｃ２Ｆ４Ｈ２ガスの群から選ばれる１種又は２種以上の混合気体であること、
を特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載のモールドコイルの製造方法。
【請求項１３】
請求項１乃至６の何れかに記載のモールドコイルを備えること、
を特徴とする変圧器。
【請求項１４】
請求項１乃至６の何れかに記載のモールドコイルを備えること、
を特徴とするリアクタンス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、モールドコイル、モールドコイルを備える変圧器、モールドコイルを備えるリアクタンス、及びモールドコイルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
計器用変成器、変圧器及びリアクタンス等には重電用のモールドコイルが実装される。モールドコイルは導体を樹脂注型して成る。このモールドコイルは、金属電線を例えば有機絶縁物からなる絶縁被膜で覆った巻線からコイルを作製し、コイルを注型用容器に入れて樹脂を注型し、注型した樹脂（以下、注型樹脂という）を硬化させることによって完成する。
【０００３】
重電用のモールドコイルでは、使用時に部分放電が発生すると、モールドコイルを実装した機器の寿命が低下する虞がある。部分放電の発生原因としては、例えば注型樹脂内部に発生するボイド、又は注型樹脂とコイルとの間に発生する剥離が知られている。そこで、コイルの事前乾燥や予熱を行い、十分な真空度に達成してからコイルに注型樹脂を注ぐことで、絶縁被膜内部の気泡及び水分を十分に排除する試みがなされている。
【０００４】
しかしながら、コイルの巻き方によっては、コイルの表面形状が複雑になり、複雑に入り組む箇所も生じ、コイルを樹脂に完全に含浸させることは困難であった。そのため、コイルの導体間に雰囲気気体、すなわち空気が残留してしまう虞があった。そこで、高圧‐接地間の絶縁距離と雰囲気圧力の積がパッツェン則の最低火花電圧となる値よりも高くなる圧力下で、樹脂を注型することで、部分放電の発生を抑える提案がなされている（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−８５０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パッツェン則の最低火花電圧よりも残留空気の圧力を高くした場合、ボイドや剥離により生じた空間中の酸素量が増える。万一、部分放電が発生してしまった場合には、部分放電によりオゾンが発生してしまい、オゾンによる絶縁物の酸化劣化を招き、機器の寿命を低下させてしまう虞がある。そのため、注型時の圧力調整のみでは、圧力を低くしても高くしても、機器寿命の低下を招く虞があり、実用的な解決方法とは言えなかった。
【０００７】
本実施形態は、上記の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、ボイドや剥離が発生していても長寿命を達成することのできるモールドコイル、そのモールドコイルの製造方法、及びそのモールドコイルを実装した機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、実施形態に係るモールドコイルは、金属電線を絶縁皮膜で覆った巻線が幾重にも捲回され、巻線の層間に絶縁紙が挟み込まれて成るコイルと、前記コイルに注型された樹脂と、ボイド又は前記コイルと前記樹脂との間の剥離により生じた空隙部と、を備え、前記空隙部には、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスが予めパージされていること、を特徴とする。
【０００９】
また上記目的を達成するために、実施形態に係るモールドコイルの製造方法は、金属電線を絶縁皮膜で覆った巻線が幾重にも捲回し、前記巻線の層間に絶縁紙を挟み込むことで、コイルを作製し、前記コイルを注型炉に設置し、前記注型炉内を、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスで満たした上で、前記コイルに樹脂を注型すること、を特徴とする。
【００１０】
前記モールドコイルは、変圧器又はリアクタンスに備えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係るモールドコイルの構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態に係るモールドコイルの製造装置を示す模式図である。
【図３】各実施例及び比較例のモールドコイルの構成を示す模式図である。
【図４】各実施例及び比較例のモールドコイルに部分放電を発生させた際の寿命時間を示すグラフである。
【図５】各実施例及び比較例のモールドコイルに部分放電を発生させた際の寿命時間までの部分放電電荷量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（構成）
本実施形態に係るモールドコイルについて図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るモールドコイルの構成を示す模式図である。図１に示すように、モールドコイル１は、コイル１１全体が埋設されるように注型樹脂１２を充填してなる。コイル１１は、巻線１５がコイル１１の軸方向及び径方向に層状に幾重にも捲回された円筒形状を有する。このモールドコイル１は、コイル１１の径方向の巻線１５間に絶縁紙１３を挟みこんで有し、径方向の層間の短絡を防止している。
【００１３】
コイル１１は、金属電線を絶縁被膜で覆った巻線１５から作製される。金属電線は、銅又はアルミ等の導体である。絶縁皮膜は、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリイミド、架橋ポリエチレン、ポリエチレン、エチレンビニルアセテート、アラミド紙、又はこれらの２種類以上の材料を重ねてなる有機絶縁物である。
【００１４】
注型樹脂１２は、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、ウレタン樹脂、ＢＭＣ（Ｂｕｌｋ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  Ｓｕｌｆｉｄｅ）、ＰＢＴ（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ  Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）等が挙げられる。
【００１５】
コイル１１、注型樹脂１２又は絶縁紙１３には、オゾン吸着材を充填しておくことができる。オゾン吸着材は、例えば、ゼオライト、活性炭、酸化マンガン、酸化ニッケル、シリカゲル等であり、これらの単独又は２種以上の混合物である。オゾン吸着剤は、部分放電が発生し、部分放電がオゾンを発生させた場合であっても、このオゾンを吸着し、オゾンによる絶縁物の酸化劣化を抑制する。
【００１６】
このモールドコイル１内には空隙１４が作製時又は事後的に生じている。この空隙１４は、意図的に形成されるものに限らず、所謂ボイドやコイル１１と注型樹脂１２との間の剥離により生じた空間である。空隙１４は低酸素ガスが充填された空間である。また、空隙１４の圧力は、コイル１１の導体間の絶縁距離と当該空隙１４内の圧力の積が低酸素ガスのパッツェン曲線の最低火花電圧となる値よりも高い。
【００１７】
ここで、低酸素ガス空間は、空気の組成よりも酸素比率の少ない低酸素ガスが充填された空間である。低酸素ガスは、例えば窒素ガスである。窒素の純度としては、９９．９％以上が望ましいが、空気の組成よりも酸素比率が少なければ、これに限らず、酸素が含有されていてもよい。
【００１８】
また、低酸素ガスとしては、窒素ガスがパージされる他、希ガス等の不活性ガスがパージされていてもよい。不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、又はこれら２種以上の混合気体であり、更に、これら単独又は２種以上の混合気体に対して窒素が混合されていてもよい。低酸素ガスとしては、放電によってオゾンが発生しないガスであってもよい。例として、水素、二酸化炭素、ＣＣｌ３Ｆガス、Ｃ２Ｆ２ガス、ＣＦ４ガス、Ｃ２Ｆ３Ｈ３ガス、Ｃ２Ｆ４Ｈ２ガス等の単独又は２種以上の混合物、更には、希ガス等の不活性ガスや窒素が混合して成る混合物であってもよい。
【００１９】
（製造方法）
このモールドコイル１の製造方法について図面を参照しつつ詳細に説明する。図２は、このモールドコイル１の製造装置を示す模式図である。図２に示すように、コイル１１は注型容器１０１内に配置され、このコイル１１及び注型容器１０１は恒温真空炉１０２にセットされる。恒温真空炉１０２は注型炉であり、窒素ボンベ１０３等の低酸素ガスが充填された低酸素供給源が接続されている。
【００２０】
また、恒温真空炉１０２には、注型樹脂１２が投入された注型樹脂用容器１０４が接続されている。注型樹脂用容器１０４はロート形状を有し、注型容器１０１は、注型樹脂用容器１０４の一端開口が内部と連通するように、恒温真空炉１０２内にセットされる。窒素ボンベ１０３は、注型樹脂用容器１０４が設置された密閉空間１０５とも接続されている。
【００２１】
この製造装置において、コイル１１がセットされた後、窒素ボンベ１０３を開栓し、コイル１１がセットされた恒温真空炉１０２及び注型樹脂容器１０４が設置された密閉空間１０５内を窒素ガス等の低酸素ガスでパージする。そして、コイル１１に対し、窒素ガス等の低酸素ガスの環境下で、注型前に事前乾燥及び予熱を実施する。また、注型樹脂１２に対し、窒素ガス等の低酸素ガスの環境下で、真空引きしながら、主剤や硬化剤等を混合する。脱泡から注型樹脂１２の注入まで全てを、窒素ガス等の低酸素ガスの環境下で実施する。すなわち、この製造過程では、コイル１１及び注型樹脂１２から酸素を除去される。
【００２２】
（実施例）
実施例１と実施例２において、図３に示すように、巻軸１６の外側に巻線１５、絶縁紙１３の順にそれぞれ４回巻きつけてコイル１１を作成した。そのコイル１１を注型樹脂１２としてエポキシ樹脂でモールドすることで、モールドコイル１のサンプルを作製した。巻線１５の各層を内側から第１層、第２層、第３層、第４層と呼ぶ。巻線１５は各層７０回巻いている。このコイル１１はエポキシ樹脂が含侵しにくい構造であり、コイル１１の上端、下端それぞれ２ターン程度しかエポキシ樹脂が含侵しなかった。そのため、空隙１４が６５ターン程度存在していた。
【００２３】
恒温真空炉１０２及び密閉空間１０５内部は空気環境下としたが、空隙１４の内部の酸素の量を減らすため、実施例１のサンプルは、エポキシ樹脂を充填する際、恒温真空炉１０２内部の圧力を約０．２６ｋＰａに調整した。実施例２のサンプルは、エポキシ樹脂を充填する際、恒温真空炉１０２内部の圧力を約１３．３ｋＰａに調整した。一方、空隙１４の内部の酸素の量を増やすため、比較例１のサンプルは、エポキシ樹脂を充填する際、恒温真空炉１０２内部の圧力を約１０１．３ｋＰａに調整した。その他、比較例１のコイル１１の作製及び注型樹脂１２であるエポキシ樹脂の充填は実施例１及び２と同一である。
【００２４】
実施例１、実施例２及び比較例１の各サンプルにおいて、空隙１４の広さは注入時の圧力によらず同一であった。また、実施例１、実施例２及び比較例１の各サンプルにおいて、エポキシ樹脂硬化後の空隙１４の圧力は樹脂充填の際の圧力とほぼ一致していることを部分放電特性から確認した。
【００２５】
このように製作された実施例１、実施例２及び比較例１の各サンプルについて、第１層及び第２層に高電圧（４ｋＶｒｍｓ）を印加し、第３層及び第４層を接地に接続することにより、第２層と第３層の間で部分放電を発生させた。連続で電圧を印加し続け、絶縁破壊するまでのサンプルの寿命時間を測定した。また、寿命時間までに発生した部分放電電荷量を測定した。
【００２６】
尚、比較例１においては、高圧‐接地間の絶縁距離と雰囲気圧力の積がパッシェン曲線の右側、つまり火花電圧が高い側に移動しているため、サンプルの部分放電開始電圧が実施例１及び２と比較して高くなっている。
【００２７】
実施例１、実施例２及び比較例１のサンプルにおける絶縁破壊までの寿命時間を図４に示す。図４に示すように、部分放電開始電圧が低かった実施例１及び実施例２のサンプルが、比較例１のサンプルに比べて、絶縁破壊までの寿命時間が飛躍的に長くなっていることがわかる。また、実施例１、実施例２及び比較例１のサンプルにおける寿命時間までの部分放電電荷量を図５に示す。図５に示すように、比較例１のサンプルは実施例１及び実施例２のサンプルに比べて部分放電電荷量が少ないことがわかる。
【００２８】
図４及び図５に示す結果より、比較例１に比べて空隙１４内の圧力が低い実施例１及び２のサンプルは、空隙１４内の酸素量が比較例１と比べて低く、部分放電により発生したオゾンが少なく、オゾンによる絶縁物の酸化劣化が抑制されていることがわかる。
【００２９】
すなわち、部分放電による絶縁物の劣化は、第１に、荷電粒子の衝突による分子鎖の切断、第２に、部分放電による発熱で生じた熱劣化、第３に、部分放電により発生したオゾンによる酸化劣化の３つの主要因が考えられている。部分放電による破壊を引き起こすほどの発熱は部分放電電荷量に依存すると考えられる。そうすると、比較例１のサンプルにおいては、絶縁破壊に必要な部分放電電荷量が実施例１及び２と比べて少ないことより、部分放電により発熱したオゾンによる酸化劣化が主たる原因で寿命時間を縮めたものと考えることができる。
【００３０】
換言すれば、実施例１及び２のサンプルは、空隙１４内の圧力が比較例１と比べて低く、空隙１４内の酸素量が少ないため、オゾンの発生量が抑制され、以ってオゾンによる絶縁物の劣化が比較例１と比べて抑制されたものと考えることができる。このため、従来のモールドコイルの空隙１４には空気がパージされていたことを鑑みれば、空隙１４が生じていても、この空隙１４内の酸素量が少なくするために、空隙１４内に空気よりも酸素比率が小さい低酸素ガスをパージすれば、モールドコイル１の長寿命化が達成できることが理解できる。
【００３１】
（作用効果）
以上のように、本実施形態のモールドコイル１は、コイル１１に注型樹脂１２を注型して成る。コイル１１は、金属電線を絶縁皮膜で覆った巻線１５が径方向に幾重にも捲回され、巻線１５の層間に絶縁紙１３が挟み込まれて成る。このモールドコイル１は、ボイド又はコイル１１と注型樹脂１２との間の剥離により空隙１４が生じる場合があるが、この空隙１４には、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスがパージされているようにした。このガスは、例えば窒素、希ガス、及び部分放電によりオゾンを発生させないガスの群から選ばれる１種又は２種以上の混合物である。
【００３２】
これにより、空隙１４に部分放電が発生しても、空隙１４内の酸素量は少ないため、部分放電によるオゾンの発生が抑えられ、オゾンによる絶縁物の酸化劣化が生じ難くなり、機器の長寿命化を達成することができる。
【００３３】
また、空隙１４の圧力を、コイル１１の導体間の絶縁距離と当該圧力の積が低酸素ガスのパッシェン曲線の最低火花電圧となる値よりも高くなるようにした。これにより、部分放電も生じ難くなるため、機器の寿命を更に伸ばすことができる。
【００３４】
また、注型樹脂１２、コイル１１の絶縁皮膜、又は絶縁紙１３にオゾン吸着材を充填しておくことができ、これにより、発生したオゾンを吸着し、オゾンによる絶縁物の酸化劣化を更に抑制することができる。
【００３５】
このようなモールドコイル１は、恒温真空注型炉内を、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスで満たした上で、コイル１１に注型樹脂１２を注型したり、注型樹脂１２を、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスの環境下で混合及び真空引きし、コイル１１に注型したり、注型樹脂１２の注型前に、空気の酸素比率よりも低酸素比率のガスの環境下でコイル１１を乾燥させすることで、酸素を除去し、低酸素ガスで満たすことができる。
【００３６】
このようなモールドコイル１は、重電用の変圧器やリアクタンスに特に好適である。
【００３７】
（他の実施形態）
上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。こ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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００３８】
１  モールドコイル
１１  コイル
１２  注型樹脂
１３  絶縁紙
１４  空隙
１５  巻線
１６  巻軸
１０１  注型容器
１０２  恒温真空炉
１０３  窒素ボンベ
１０４  注型樹脂用容器
１０５  密閉空間
【図１】
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【図２】
2017152515.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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