JP3567334B2

JP3567334B2 - エポキシワニス組成物とその使用方法

Info

Publication number: JP3567334B2
Application number: JP29379793A
Authority: JP
Inventors: 盛也松村
Original assignee: 神鋼電機株式会社
Priority date: 1993-11-01
Filing date: 1993-11-01
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JPH07126575A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、鉄道車両、自動車、フォ−クリフトなどの車両、航空機および各種の産業機械などに使用される電動機や発電機などの電気機器、また振動機などに搭載される電動機に組み込まれる絶縁コイルに、主として含浸剤として使用される絶縁用エポキシワニスの組成に関するものである。更に詳しくは振動など機械的な力を受ける装置で使用されるコイルや電線集合体などの、絶縁、固定や外部環境から遮断するため、どぶ漬け、刷毛塗り或はその他の方法によって充填して使用されるエポキシワニスの組成物とその使用方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動機などの絶縁コイルは、稼働中に使用環境から、水分、塵埃、振動などの影響を受けるが、特にコイルエンドは接続部が多く自由端であるため、この部分が弱点になり振動による断線や使用環境中の水分を吸湿するなどにより絶縁性が低下し易い。またエナメル電線間の空間に塵埃が集積して絶縁性が低下し、これらによって短絡を生じ回転停止など機能が損なわれ易い。そこで絶縁性の低下を防止し、電線束を固着し耐振動性を高め、さらに吸湿を少なくするため電線間にワニスを含浸してコイルの絶縁処理を行なっている。
従来技術により３相誘導電動機用ステ−タをワニスによって絶縁処理する場合を１例にして以下に説明する。図１は本発明とも共通のステ−タコイルアセンブリ−の外観斜視図で、図２は図１に示したステ−タコイルアセンブリ−の内部を示す部分斜視図であり、ステ−タ１は鉄心１ａ、鉄心１ａの水平方向断面の形状と同一に打ち抜かれた絶縁板２、鉄心１ａに設けた複数個のスロット４と、このスロットの内周面に沿って配置したスロットライナ−６、該スロットライナ−６の内側に配置したエナメル電線の束（コイル５）、相の異なるコイル間に挿入される相間絶縁７及び該コイル５のスロット４より外に露出している部分即ちコイルエンド３から構成されている。
【０００３】
前記ステ−タをエポキシワニス（以下必要に応じてワニスという）中にどぶ漬け処理すると、エポキシワニスはスロット４内コイル５及びコイルエンド３の中に浸透する。前記ステ−タをどぶ漬け槽から取り出して加熱硬化させるとスロット４内コイル５及びコイルエンド３内のエナメル電線を相互に接着するとともに、エナメル電線とスロットライナ−６、エナメル電線と相間絶縁７、スロットライナ−６と鉄心１ａ、鉄心１ａと絶縁板２がそれぞれ接着される。
このようなコイルの絶縁処理には溶剤型ワニスよりも無溶剤型ワニスを用いた方が性能的に優れ、効果的であることは一般に良く知られている。
無溶剤型ワニスとしてはエポキシ樹脂と不飽和ポリエステル樹脂が主に使用されているが、特にエポキシ樹脂は耐熱性及び機械的特性が優れ、更に接着性に優れ、収縮率も小さい等の諸点から利用されることが多い。エポキシ樹脂の中でも電気特性の優れた酸無水物系（多官能の無水カルボン酸）を硬化剤とするエポキシ樹脂が広く用いられている。
【０００４】
こうした従来のエポキシワニス配合組成物の例を従来例１及び従来例２として以下に示す。

【０００５】
従来例１の配合によるエポキシワニスは低粘度であるため、どぶ漬け処理時にワニスがスロット４内コイル５及びコイルエンド３などの中に容易に浸透する。次にステ−タをどぶ漬け槽から取り出し加熱硬化処理を行うが、この時ワニスは温度が上昇されるため更に粘度が低下して、スロット４内コイル５及びコイルエンド３のエナメル電線間に保持されていたワニスの大部分は流れ落ちてしまう。この結果、エナメル電線の表面に形成される皮膜は極めて薄くなり、エナメル電線間及びエナメル電線と絶縁紙などの間に空隙を残して小さな接着力しか得られず、また十分な耐環境性及び熱放散性を得ることも出来ない。
従来例１の欠点を改良するため、従来例１の配合組成に更に揺変成剤、例えばコロイド状シリカ粉末（平均粒子径０．０１μｍ）を添加してエポキシワニスのチクソトロピ−を増大させる方法がある。この配合組成の例を従来例２に示す。
従来例２による配合組成のエポキシワニスは従来例１に比べて静的粘度が増大するが、どぶ漬け処理時にワニスをスロット４内コイル５及びコイルエンド３等の中に浸透させることに関しては特に問題が無い。また、加熱硬化時のワニス温度上昇による粘度低下に関しても、ワニスのチクソトロピ−が大きいためスロット４内コイル５及びコイルエンド３等の中に保持されていたワニスは容易に流れ落ちることはない。このため、エナメル電線上にワニス皮膜が厚く付着し、エナメル電線間及びエナメル電線と絶縁紙などとの間には強力な接着力が得られ、更に空隙が少ないため良好な耐環境性と熱放散性が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、揺変成剤エアロジルの添加によりチクソトロピ−を増大した従来例２の配合によるエポキシワニスは、外部から撹拌や振動などのズリ応力が加わった時に粘度が低下し、また配合後経時的にチクソトロピ−が失われていく性質を有しているため、以下に示すような問題点を残していた。
従来例２では、エポキシワニスにチクソトロピ−を持たせ静的粘度を大きく保持しているため、ステ−タをエポキシワニス中にどぶ漬け処理した後の、取り出し作業中または加熱硬化中に、外部から振動などのズリ応力が加わると粘度が低下し一度含浸し付着したワニスが流れ落ちてしまう。
また、配合直後のエポキシワニスを使用してどぶ漬けし加熱硬化処理をすると、期待する効果が得られる場合でも、配合後数日経過すると時効によりチクソトロピ−が低下して、従来例１と同様に加熱硬化時の粘度が小さくなってしまう（静的粘度が小さいため）。
この状態のエポキシワニスで同じ処理を行うと、スロット４内コイル５及びコイルエンド３などの中に一度含浸されたワニスの大部分がどぶ漬け槽からの取り出し時や加熱硬化時に流れ落ちて、エナメル電線表面に付着するワニス皮膜が薄くなり、期待するほどの接着力、耐環境性及び熱放散性が得られなくなる。
上記のような処理中の振動など取扱上の制約や、配合後の経時的な粘度変化などの問題がなく、配合後長期間経過後に使用しても一定厚みのワニス被覆層を形成することが可能で、高い接着強度を有し耐振動性、耐環境性や熱放散性が優れた接着層を形成出来るエポキシワニス組成物を提供するとともに、この組成物を使用して電機機器のコイルおよび電線集合体などに含浸処理する方法を提供することが本発明に課せられた課題である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるエポキシワニス組成物は、従来からの成分であるエポキシ樹脂、反応性希釈剤、酸無水物の硬化剤、硬化促進剤とに加え、コロイダルシリカの代わりに一定の粒度分布を有するシリカ微粉末を充填剤（フィラ−）として配合した無溶剤型エポキシ樹脂である。
本発明のエポキシワニス組成物を構成するエポキシ樹脂としては、ビスフェノ−ルＡ型やビスフェノ−ルＦ型のエポキシ樹脂などが好適に用いられ、そのようなエポキシ樹脂としては、エピコ−ト８２８、８２７、８０７（いずれも商品名：油化シェル社製）などがある。また、脂環式エポキシ樹脂、水添ビスフェノ−ルＡ型エポキシ樹脂などを用いることもできる。更に、フェノ−ルノボラックエポキシ樹脂やクレゾ−ルノボラックエポキシ樹脂等も用いることが出来、これらとビスフェノ−ルＡ型、ビスフェノ−ルＦ型、脂環式エポキシ樹脂、水添ビスフェノ−ルＡ型エポキシ樹脂を適当量混合したものも用いることが出来る。このような混合樹脂からなるワニスは更に耐熱性の高いものとなる。
また、必要に応じてモノグリシジルエ−テル、ジグリシジルエ−テル等の反応性希釈剤を添加することも出来る。
【０００８】
本発明のエポキシワニス組成物を構成する硬化剤としては、吸湿結晶化の恐れのないＭＮＡ（メチルナジックアンハイドライド）、ＭＨＡＣ−Ｐ（無水メチルハイミック酸）、メチルヘキサハイドロ無水フタル酸、メチルテトラハイドロ無水フタル酸、ポリアゼライン酸無水物等の酸無水物硬化剤がある。
また、硬化促進剤としては第３級アミン硬化促進剤（例えばＫ−６１Ｂジメチルアミノメチルフェノ−ル）やイミダゾ−ル化合物があるが、ポットライフや耐熱性の点からイミダゾ−ル化合物が特に好ましい。イミダゾ−ル化合物の中でも上記エポキシ樹脂との相溶性が良くポットライフが長い点で、２−エチル−４−メチルイミダゾ−ル、オクチル酸変成２−エチル−４−メチルイミダゾ−ル及びイミダゾ−ル環中の第２級アミン官能基を不活性のシアノエチル基で置換した１−シアノエチル−２−メチルイミダゾ−ル、１−シアノエチル−２−フェニル−４、５−ジ−（シアノエトルキシメチル）イミダゾ−ル、１−シアノエチル−２−フェニルイミダゾ−ルなどが好適に用いられるが、中でも１−シアノエチル−２−エチル−４−メチルイミダゾ−ルが最も好適に使用できる。
エポキシ樹脂系の成形体、ＩＣ封止樹脂やモ−ルド樹脂等に通常添加されている無機充填材としては、シリカ、タルク、炭酸カルシウム、アルミナなどが知られているが、本発明のエポキシワニス組成物を構成する無機充填材としては、特に絶縁性（誘電率、体積固有抵抗等）及び熱伝導率、線膨張係数や価格の面からシリカ（高純度結晶性石英）が最適である。
【０００９】
課題を解決するために適したシリカは、粒子径１０μｍ以上の粒子の含有率が１０重量％未満で、粒子径１０μｍ未満で１μｍ以上の粒子の含有率が９０％以上であるシリカ微粉末が特に好ましく、エポキシ樹脂組成物中の前記シリカ微粉末の含有率は２０〜４０％の範囲が好ましい。
さらに、配合された上記のエポキシワニス組成物を長期保存した場合に生じるシリカ微粉末の沈降による粘度の低下を一層遅らすため、また積極的に沈降を阻止するため、本発明の第２の組成ではドロマイト粘土微粉末を添加した。該ドロマイト粘土微粉末はシリカ微粉末より平均粒子径が小さい粒子からなり、エポキシワニス組成物に配合するシリカ微粉末の添加量の３〜１０重量％を添加する。これによって、配合したエポキシワニス組成物中でのシリカ微粉末の沈降を防止し長期間にわたって一定の粘度を保つことを可能にした。
【００１０】
【作用】
本発明で使用するシリカは粒子径１０μｍ以上の粒子が１０重量％未満で、粒子径１０μｍ未満で１μｍ以上の粒子が９０重量％以上で構成されるシリカ微粉末を、エポキシ樹脂、反応性希釈剤、酸無水物硬化剤、イミダゾ−ル化合物促進剤とともにエポキシワニス組成物中に２０〜４０重量％添加することにより、さらにドロマイト粘土をシリカ微粉末の添加量に対して外掛けで３〜１０重量％添加することにより、配合後の分散性と粘度の経時変化をなくし、硬化後のワニスに十分な接着強度、耐環境性、熱放散性を付与するとともに、振動の激しい使用環境においても十分な耐クラック性を保持することが可能になった。
前述したシリカ（高純度結晶性石英フィラ−）はその物性としての熱伝導率が８Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、線膨張係数が０．４〜０．６×１０^−６であるため、前記エポキシワニスに前記重量％添加すると、熱伝導率はシリカを含まない時の０．２から２〜３Ｗ／（ｍ・Ｋ）に増大し、線膨張係数はシリカを含まない時の８０×１０^−６から５０〜６０×１０^−６に低下させる作用を有する。
ドロマイト粘土はシリカとほぼ等しい比重を有するため、シリカ微粒子より平均粒子径が小さいドロマイト粘土微粒子を添加することにより、これら粒子が沈降する際にシリカ微粒子間にドロマイト微粒子が浸入し、シリカ微粒子の凝集を妨げかつ長期保管後の再分散を容易にする。
【００１１】
【実施例】
以下本発明の実施例を従来例や比較例と比較しながら具体的に説明する。
表１に示すエポキシ樹脂、反応性希釈剤、酸無水物硬化剤と硬化促進剤からなるエポキシ樹脂分に、前記シリカ微粉末を内掛けで１０〜５０重量％添加したエポキシワニス組成物を配合し、それぞれ図３に示すＪＩＳＣ２１０３に規定された１−ＡＩＷφ１．６ストラッカ試験片にワニス処理し、最適条件である１３０℃で５時間加熱してゲル化させ、その後ポストキュアさせて試料を作成し、接着力を試験した。ワニス中のシリカ微粉末の含有率とストラッカ接着力の関係を図４に示す。
【表１】

この実験の結果によれば、前記シリカ微粉末の含有率が２０重量％未満では接着力が小さく２０重量％から５０重量％までの範囲では接着力が大きいことが解る。
表１に示すエポキシ樹脂、反応性希釈剤、酸無水物硬化剤と硬化促進剤からなるエポキシ樹脂分に表２に示す各種フィラ−を量を変えて添加させた種々のエポキシワニス組成物を配合し、それぞれを用いて図１に示した３相誘導電動機のステ−タをどぶ漬けして、その後１３０℃で５時間加熱してゲル化させ、その後ポストキュアさせて試料を作成した。これら各試料に付着したワニス硬化皮膜を外観的に観察しまた表面平滑性を調べるとともに、ステ−タ中央部とコイルエンドを切断しその断面を研磨してスロット内コイル及びコイルエンド中へのワニスの含浸性を調べた。また、前記各種エポキシワニス組成物について図３の試験片を用いてそれぞれ前記ストラッカ試験を行い接着力を試験した。
これらの結果をまとめて表２に示す。
【表２】

ここに示した実施例１と実施例２はそれぞれ前記従来例１と前記従来例２による配合組成と同じエポキシワニスを使用したものである。
また、３種の比較例は添加するシリカ粉末の粒径分布と添加量の適正範囲を決定するために作成した試料であり、比較例３は図３に示したシリカ微粒子を５０重量％添加した組成と同じエポキシワニスである。
【００１２】
充填剤を添加しない従来例１は接着力が小さく、揺変成剤を添加しかつ配合直後の従来例２はワニス付着厚みが３０μｍで接着力、含浸性そして表面平滑性ともに良好であったが、従来例２と同じ組成で配合後１週間経過した従来例３は、ワニス厚みが１０μｍに減少し接着強度も充分な値は得られなかった。
粒子径１０μｍ以上の粒子の含有率が３０重量％以上であるシリカ小粒粉末を３０重量％添加した比較例１は含浸性は良好であったが表面平滑性が不十分であった。
シリカ粒子径１μｍ以下の粒子の含有率が５０重量％以上である、シリカ極微粒粉末を３０重量％添加した比較例２は、形成されたエポキシワニスの粘度が高くなりすぎるためコイル内への含浸性が十分ではなかった。
本発明で使用したシリカ微粉末を本発明の含有率範囲を越えて５０重量％含有させた比較例３は、前記図３でも示したように十分大きな接着力を示したが、エポキシワニスの粘度が高くなりすぎるため含浸性が十分ではなかった。
これらに比較して、粒子径１０μｍ以上の粒子が１０重量％未満で、粒子径１０μｍ未満で１μｍ以上の粒子が９０重量％以上であるシリカ微粒粉末を３０重量％添加したエポキシワニス組成物は配合後１日の実施例１及び配合後３０日の実施例２ともにワニス付着厚み２０μｍを確保し、接着力、含浸性そして表面平滑性の全てに関して良好な結果を得た。
【００１３】
粒子径１０μｍ以上の粒子が１０重量％未満で、１０μｍ未満で１μｍ以上の粒子が９０重量％以上で構成されるシリカ微粉末を３０重量％添加した実施例１と実施例２はともに十分良好な特性を示したが、配合後３０日目ではシリカ微粉末の沈降が認められこれを再分散するためにかなりの撹拌処理を行った。
配合後３０日という経過日数は十分長いもので、実用的に使用できるという点で満足できるものではあるが、更に取扱を容易にするための分散性を増した実施例を以下に示す。
実施例１の配合に沈降防止剤即ち分散剤としてカルシウムとマグネシウムの複合炭酸塩であり平均粒子径が２〜１０μｍであるドロマイト粘土の微粉末（商品名マイクロド−ル：ヘキスト合成Ｋ．Ｋ．製）を添加して分散性を高めた。

【００１４】
実施例３及び実施例４のエポキシワニス組成物を配合し、その３０日後におけるシリカ微粉末の沈降の状態及び分散作業の難易度と、配合直後と配合後３０日目のエポキシワニス組成物の接着力、含浸性及び表面平滑性とを検討した。
その結果によれば、マイクロド−ルをシリカ微粉末の添加量に対して外掛けで５重量％添加した実施例３では、シリカ微粉末の沈降は生じたものの容易に再分散でき、またマイクロド−ルをシリカ微粉末の添加量に対し外掛けで１０重量％添加した実施例４ではシリカ微粉末の沈降は全く生じないことが認められた。
なお、実施例３、４ともに配合直後と配合後３０日目にワニス処理したものはそれぞれ良好な目的特性を得た。
本発明による機構的な効果を、隣接するエナメル電線Ｂ間に付着し硬化したエポキシワニス接着剤Ａの断面により比較した。
従来例３と実施例２について観察した結果を模式化して図５に示す。従来例３のエナメル電線Ｂの表面に付着したワニスＡ′の皮膜は比較的薄く、特に２本の電線の接触部Ｃ′表面でネッキング（くびれ）が生じている。一方、実施例２のエナメル電線Ｂの表面に付着したワニスＡの皮膜は比較的厚く、２本の電線の接触部Ｃの表面に於いてもなだらかな曲線を描きネッキングは生じてなく、空隙を生じにくい皮膜が形成されている。
【００１５】
【発明の効果】
粒子径１０μｍ以上の粒子が１０重量％未満で、粒子径１０μｍ未満で１μｍ以上の粒子が９０重量％以上で構成されるシリカ微粉末を、エポキシ樹脂、反応性希釈剤、酸無水物硬化剤、イミダゾ−ル化合物促進剤とともにエポキシワニス組成物中に２０〜４０重量％添加することにより、さらに前記エポキシワニス組成物にドロマイト粘土をシリカ微粉末の添加量に対して外掛けで３〜１０重量％添加することにより、エポキシワニスの粘度を高めまた配合後における該粘度の経時変化を無くし、どぶ漬け処理後加熱硬化した絶縁コイル等において、十分な接着強度、耐環境性や熱放散性を付与するとともに、振動の激しい使用環境においても十分な耐クラック性を保持することが可能になる。
更に、シリカを無機充填剤として選択したことにより、硬化したエポキシワニスの熱伝導率を高め線膨張係数を小さくする効果を得た。
【図面の簡単な説明】
【図１】３相誘導電動機用ステ−タの外観斜視図である。
【図２】図１の半径方向内側の斜視図である。
【図３】ＪＩＳＣ２１０３によるストラッカ試験片の平面図を示す。
【図４】エポキシ樹脂分にシリカ微粉末を種々の量添加させたワニスで処理して行ったストラッカ試験片の接着強度を示す。
【図５】エナメル電線の表面に接着させた従来のワニスと本発明のワニスの状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ステ−タ鉄心
２絶縁板
３コイルエンド
４スロット
５コイル
６スロットライナ−
７相間絶縁
Ａエポキシワニス
Ａ′エポキシワニス
Ｂエナメル電線
Ｃエナメル電線の接触部
Ｃ′エナメル電線の接触部

Claims

エポキシ樹脂と、酸無水物硬化剤と、イミダゾール化合物促進剤と、シリカ微粉末により成り、電気機器や電動機に組み込まれる絶縁コイルに、主として含浸剤として使用される絶縁処理用のエポキシワニス組成物において、
粒子径１０μｍ以上の粒子が１０重量％未満で粒子径１０μｍ未満で１μｍ以上の粒子が９０重量％以上である粒度分布を有するシリカ微粉末が、前記ワニス中に内掛けで２０〜４０重量％含有され、ワニスの付着厚さが均一に厚くなりコイルの接着強度が上昇し、経時変化が著しく低減されていることを特徴とするエポキシワニス組成物。
請求項１記載の前記エポキシワニス組成物において、更に、平均粒子径が前記シリカ微粉末より小さいドロマイト粘土の微粉末が、シリカ微粉末の添加量に対して外掛けで３〜１０重量％添加されていることを特徴とするエポキシワニス組成物。