JP6740642B2

JP6740642B2 - 絶縁電線の製造方法

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Publication number: JP6740642B2
Application number: JP2016041059A
Authority: JP
Inventors: 三浦　剛; 剛三浦; 百生　秀人; 秀人百生
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2036-03-03
Also published as: JP2017157463A

Description

本発明は、絶縁電線およびその製造方法に関する。

回転電機や変圧器等の電気機器のコイルに使用される絶縁電線である巻線（エナメル線）は、一般的に、コイルの用途や形状に合致する断面形状に成形された導体の周囲に一層以上の絶縁体が形成された構造となっている。このうち、導体としては、例えば、断面丸型の他、コイルの占有体積を縮小する目的で断面角型のものが使用されることも多くなってきている。

導体の周囲に絶縁体を形成する方法としては、例えば、有機溶剤に樹脂を溶解させてなる絶縁塗料を導体の周囲に塗布および焼付する方法、予め調合された樹脂組成物を導体の周囲に押出被覆する方法、およびこれらの方法を併用する方法がある。

近年、電気機器の小型化の要求により、コアに巻線を巻き付けてコイルを作製するコイル巻線工程において、小径のコアに高張力で巻線を高密度に巻き付けるようになってきているため、絶縁体には、過酷な加工ストレスに耐え得る機械的特性（例えば、密着性や耐摩耗性）が求められている。

また、インバータサージ電圧等のより高い電圧が電気機器中のコイルに印加されることから、部分放電の発生によって絶縁体が劣化したり損傷したりすることがある。

部分放電による絶縁体の劣化や損傷を防ぐために、部分放電開始電圧の高い絶縁体の開発が進められている。絶縁体の部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ）を高くする方法としては、例えば、絶縁体の厚さを厚くする方法や、比誘電率が低い樹脂で絶縁体を形成する方法が挙げられる。

しかし、絶縁体の厚さを厚くすると巻線が太くなり、コイルのサイズが大きくなり、占積率が低下することから好ましくない。

一方、比誘電率が低い樹脂としては、従来の比誘電率が３〜４程度のポリイミド樹脂と比較して比誘電率が低い特定の構造を有する弗素系ポリイミド樹脂があるが、弗素系ポリイミド樹脂においても、比誘電率は２．３〜２．８程であり（例えば特許文献１参照）、特段低くはなく、部分放電開始電圧を大きく向上させることは難しい。

そこで、絶縁体の比誘電率を大きく低下させる手段として、絶縁体を発泡させる方法がある。具体的な方法として、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を主材料とした樹脂を導体の周りに押出被覆した後、加圧不活性ガス雰囲気中に保持することにより樹脂中に不活性ガスを含有させ、常圧下で加熱することにより発泡させる方法が知られている（例えば特許文献２参照）。

しかしながら、不活性ガスの含浸後、不活性ガスの漏出によって不活性ガスの含浸量は経時的に減少していくことから、所望の発泡度とするためには含浸後から常圧加熱までの時間を厳密に管理しなければならない。また、ＰＰＳの結晶化度や副材料の添加量によっても不活性ガスの含浸量は変化するため、所望の発泡度とするためには材料によって不活性ガスの含浸条件（圧力、時間、温度）を調整する必要がある。

特開２００２−０５６７２０号公報国際公開第２０１１／１１８７１７号パンフレット

本発明の一目的は、不活性ガスの含浸を行うことなく形成されたポリフェニレンサルファイド樹脂からなる発泡絶縁体を備え、部分放電開始電圧を高めた絶縁電線を提供することである。

本発明の一観点によれば、
ポリフェニレンサルファイド樹脂と水酸化アルミニウムとを含有する樹脂組成物を前記水酸化アルミニウムの脱水反応により発泡させる工程と、
発泡させた前記樹脂組成物を、導体の周囲に押出し、発泡度が３０％以上８０％以下である発泡絶縁体を形成する工程と、
を有する絶縁電線の製造方法
が提供される。

本発明によれば、不活性ガスの含浸を行うことなく形成されたポリフェニレンサルファイド樹脂からなる発泡絶縁体を備え、部分放電開始電圧を高めた絶縁電線を提供することができる。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態による絶縁電線の構造の一例を示す概略的な断面図であり、図１（ｂ）は、実施形態による絶縁電線の製造装置の一例を示す概略図である。

図１（ａ）を参照して、本発明の一実施形態による絶縁電線（発泡巻線）１０について説明する。図１（ａ）は、絶縁電線１０の構造の一例を示す概略的な断面図である。絶縁電線１０は、導体２０と発泡絶縁体３０とを備える。

導体２０としては、例えば平角銅線が用いられる。なお、導体２０としては、平角銅線に限らず、他の形状や材料のものを用いてもよい。

発泡絶縁体３０は、導体２０の周囲に形成されており、発泡領域（発泡部分）３１を有する。発泡絶縁体３０は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂とアルミナとを含有する樹脂組成物からなる。また、後述する発泡絶縁体３０の製造工程から理解されるように、発泡絶縁体３０は、ＰＰＳ樹脂と水酸化アルミニウムとを含有する樹脂組成物を水酸化アルミニウムの脱水反応により発泡させた樹脂組成物からなるということもできる。

なお、発泡絶縁体３０を形成する樹脂組成物は、必要に応じて、ＰＰＳ樹脂以外の樹脂や、各種の添加剤等を含有していてもよい。

部分放電開始電圧を十分に高めるために、発泡絶縁体３０の発泡度は３０％以上であることが好ましい。また、発泡絶縁体３０の絶縁厚さを安定させるために、発泡絶縁体３０の発泡度は８０％以下であることが好ましい。発泡度の定義については、実施例および比較例の説明箇所において後述する。

次に図１（ｂ）を参照して、絶縁電線１０の製造方法について説明する。図１（ｂ）は、絶縁電線１０の製造装置１００の一例を示す概略図である。

導体２０を、送出機１０１から送り出し、プーリ１０２を介して予備加熱炉１０３に導入する。予備加熱炉１０３により、導体２０を不活性ガス雰囲気中で予備加熱する。不活性ガスとしては、低コストな汎用気体である窒素ガスや、熱伝導性に優れたヘリウムガスが有効であるが、これらに限定されるものでは無い。

予備加熱炉１０３の内部では、導体２０の表面が高温環境下に暴露されるため、導体２０の表面が酸化する虞があるが、予備加熱炉１０３の内部雰囲気を不活性ガス雰囲気で置換することにより、導体２０の表面が酸化することを抑制できる。導体２０の表面の酸化を抑制することで、導体２０と発泡絶縁体３０との密着性が低下することを抑制できる。

予備加熱炉１０３による導体２０の予備加熱温度は、ＰＰＳ樹脂の融点以上、具体的には例えば２８０℃以上とすることが好ましく、３００℃以上３２０℃以下とすることがより好ましい。これにより、導体２０と発泡絶縁体３０との密着性を良好とすることができる。

次に、予備加熱炉１０３で予備加熱された導体２０の周囲に、押出機１０４により、ＰＰＳ樹脂と水酸化アルミニウムとを含有する樹脂組成物を水酸化アルミニウムの脱水反応により発泡させた樹脂組成物を押出被覆して、発泡絶縁体３０を形成する。

発泡絶縁体３０の形成工程について、より詳しく説明する。押出機１０４へ、ＰＰＳ樹脂と水酸化アルミニウムとを投入する。押出機１０４内の押出温度は、予備加熱温度よりもやや高い温度で、水酸化アルミニウムの脱水反応が十分に生じる温度、例えば３００℃超とすることが好ましく、３１０℃以上３３０℃以下とすることがより好ましい。

水酸化アルミニウムの粒径は、１μｍ以下であることが好ましい。ここで「粒径」とは、レーザ回折・散乱法（ＪＩＳＺ８８２５：２０１３）に基づいて測定して得られる粒径分布から算出される平均粒径のことである。水酸化アルミニウムの脱水反応のピーク温度は、一般に、２４５℃、３２０℃、５５０℃の３つであるが、水酸化アルミニウムの粒径を１μｍ以下とすることにより、３２０℃でピークとなる脱水反応を選択的に生じさせることができる。

押出機１０４内でＰＰＳ樹脂は溶融し、溶融したＰＰＳ樹脂と水酸化アルミニウムとが混練される。このとき、押出機１０４内の温度が例えば３１０℃〜３３０℃であるため、水酸化アルミニウムがアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と水分（Ｈ_２Ｏ）とに分解される脱水反応が生じる。水酸化アルミニウムの粒径を１μｍ以下とすることで、２４５℃でピークとなる脱水反応を抑制でき、水酸化アルミニウムがＰＰＳ樹脂と十分に混練される前に脱水反応が進行してしまうことを抑制できる。つまり、水酸化アルミニウムがＰＰＳ樹脂と十分に混練された状態で脱水反応を生じさせて、効率的に樹脂組成物を発泡させることができる。

脱水反応で生成された水分が揮発することにより発泡領域３１が形成され、アルミナがＰＰＳ樹脂中に含有された状態で、導体２０の周囲に発泡絶縁体３０が形成される。

なお、発泡絶縁体３０中に含有されたアルミナの粒径は、脱水反応前の水酸化アルミニウムの粒径が１μｍ以下であることに対応して、１μｍ以下となっていると考えられる。

発泡絶縁体３０の発泡度は、３０％以上８０％以下とすることが好ましい。発泡絶縁体３０の発泡度を３０％以上８０％以下とするために、脱水反応前の水酸化アルミニウムの含有量（添加量）は、例えば、ＰＰＳ樹脂に対して０．３ｗｔ％以上１ｗｔ％以下とすることができる。なお、この条件は、発泡絶縁体３０中のアルミナの含有量としては、水酸化アルミニウムに換算して、ＰＰＳ樹脂に対して０．３ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であるということができる。

このように、発泡絶縁体３０を形成する工程は（絶縁電線１０を製造する工程は）、ＰＰＳ樹脂と水酸化アルミニウムとを含有する樹脂組成物を水酸化アルミニウムの脱水反応により発泡させる工程と、発泡させたこの樹脂組成物を、導体２０の周囲に押出し、発泡度が３０％以上８０％以下である発泡絶縁体３０を形成する工程と、を有する。

その後、発泡絶縁体３０の形成された導体２０を、水槽１０５により冷却し、引取機１０６を通じて巻取機１０７で巻き取る。このようにして、絶縁電線１０を製造することができる。

上述のような実施形態により、例えば以下のような効果を得ることができる。

ＰＰＳ樹脂を含有する樹脂組成物を水酸化アルミニウムの脱水反応により発泡させることで、発泡絶縁体３０を得ることができる。ここで、水酸化アルミニウムの脱水反応を用いているため、発泡絶縁体３０は、ＰＰＳ樹脂とアルミナとを含有する樹脂組成物から形成（構成）されることとなる。

発泡させた発泡絶縁体３０を用いることで、絶縁電線１０の部分放電開始電圧を高めることができる。発泡絶縁体３０の発泡度は、３０％以上８０％以下とすることが好ましい。

このように、不活性ガスの含浸を行うことなく、ＰＰＳ樹脂を用いた発泡絶縁体３０を得ることができ、絶縁電線１０の部分放電開始電圧を高めることができる。

水酸化アルミニウムの粒径を１μｍ以下とすることにより、３２０℃でピークとなる脱水反応を選択的に生じさせることができ、融点が約２８０℃のＰＰＳ樹脂を含有する樹脂組成物の押出における発泡を、効率的に行うことができる。発泡が効率的に行われることで、水酸化アルミニウムの添加量を少なくすることができる。

また、後述のように、粒径が１μｍ以下の水酸化アルミニウムを用いることで、導体２０と発泡絶縁体３０との良好な密着性を得ることもできる。

次に、実施例および比較例について説明する。ここでは、長辺が約３ｍｍで短辺が約２ｍｍの平角銅線を導体２０として用い、ＰＰＳ樹脂と水酸化アルミニウムとを含有する樹脂組成物を用いて発泡絶縁体３０を形成することで、表１に示す通り、実施例１〜２および比較例１〜４の６通りの絶縁電線（発泡巻線）１０を製造した。そして、これらの絶縁電線１０を評価することにより、実施例による効果を実証した。

実施例１〜２および比較例１〜４について、導体２０を予備加熱炉１０３に導入して窒素雰囲気中で約３００℃に予備加熱し、押出機１０４により導体２０の周囲に厚さ１５０μｍの発泡絶縁体３０を形成した。発泡絶縁体３０の形成後、水槽１０５により発泡絶縁体３０とともに導体２０を常温まで冷却し、引取機１０６を通じて巻取機１０７により絶縁電線１０を巻き取った。

［実施例１］
実施例１では、発泡絶縁体３０を形成する樹脂組成物として、ＰＰＳ樹脂と、粒径０．９μｍでＰＰＳ樹脂に対して１ｗｔ％の水酸化アルミニウムとを含有するものを用い、押出温度を３３０℃とした。

［実施例２］
実施例２では、発泡絶縁体３０を形成する樹脂組成物として、ＰＰＳ樹脂と、粒径０．９μｍでＰＰＳ樹脂に対して０．３ｗｔ％の水酸化アルミニウムとを含有するものを用い、押出温度を３３０℃とした。

［比較例１］
比較例１では、発泡絶縁体３０を形成する樹脂組成物として、ＰＰＳ樹脂と、粒径３．０μｍでＰＰＳ樹脂に対して１ｗｔ％の水酸化アルミニウムとを含有するものを用い、押出温度を３３０℃とした。

［比較例２］
比較例２では、発泡絶縁体３０を形成する樹脂組成物として、ＰＰＳ樹脂と、粒径０．９μｍでＰＰＳ樹脂に対して１ｗｔ％の水酸化アルミニウムとを含有するものを用い、押出温度を３００℃とした。

［比較例３］
比較例３では、発泡絶縁体３０を形成する樹脂組成物として、ＰＰＳ樹脂と、粒径０．９μｍでＰＰＳ樹脂に対して３ｗｔ％の水酸化アルミニウムとを含有するものを用い、押出温度を３３０℃とした。

［比較例４］
比較例４では、発泡絶縁体３０を形成する樹脂組成物として、ＰＰＳ樹脂と、粒径０．９μｍでＰＰＳ樹脂に対して０．２ｗｔ％の水酸化アルミニウムとを含有するものを用い、押出温度を３３０℃とした。

発泡絶縁体３０の発泡度、導体２０と発泡絶縁体３０との密着性、および部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ）を、次のようにして評価した。なお、外観についても評価した。

［発泡度の評価方法］
絶縁電線１０から切り取った発泡絶縁体３０を液中ひょう量法により計測した密度ρ１と、発泡絶縁体３０を形成する樹脂組成物に水酸化アルミニウムを添加していない状態の、ＰＰＳ樹脂を含有する樹脂組成物を液中ひょう量法により計測した密度ρ２とから、次のようにして発泡度αを求めた。
α＝（１−ρ１／ρ２）×１００
このとき、水酸化アルミニウムの比重は極少ないので無視した。発泡度３０％以上８０％以下を合格「○」とした。発泡度３０％未満は、部分放電開始電圧の高さが不十分となるため不合格「×」とし、発泡度８０％超は、絶縁厚さが不安定となるため不合格「×」とした。

［密着性の評価方法］
急激伸長試験装置により、長さが約５００ｍｍである絶縁電線１０を目標線間距離を２００ｍｍとして急激に伸長・断線させ、発泡絶縁体３０における亀裂、導体２０の露出、および被覆浮きの合計長さが７ｍｍ未満のものを合格「○」とし、７ｍｍ以上のものを不合格「×」とした。

［部分放電開始電圧の評価方法］
２本の絶縁電線１０の長辺側の面同士を長さ１５０ｍｍに亘って隙間が生じないように密着させたサンプルに対して、２本の導体２０間に周波数が５０Ｈｚの交流電流を印加し、その電圧を毎秒１０Ｖで昇圧させながら、５０ｐＣの部分放電が５０回以上発生する電圧を測定し、その電圧が１５５０Ｖ以上であるものを合格「○」とし、１５５０Ｖ未満であるものを不合格「×」とした。

［結果］
実施例１および実施例２は、全ての評価項目で合格し、発泡度、密着性、および部分放電開始電圧に優れていた。具体的には、発泡度は良好で部分放電開始電圧は高く、水酸化アルミニウムの粒径が０．９μｍと小さかったため、導体２０と発泡絶縁体３０との密着性も良好であった。

比較例１は、水酸化アルミニウムの粒径が３．０μｍと大きかったため、密着性が劣り、また、２４５℃での脱水反応が生じたためと思われるが、発泡度は低く、部分放電開始電圧の条件を満たさなかった。

比較例２は、押出温度が低かったため、十分発泡せず、部分放電開始電圧の条件を満たさなかった。

比較例３は、水酸化アルミニウムの添加量が３ｗｔ％と多かったため、発泡度が８０％を超え、発泡絶縁体３０の膜厚がばらつき、部分放電開始電圧が測定不可となった。

比較例４は、水酸化アルミニウムの添加量が０．２ｗｔ％と少なく、発泡度が不十分で部分放電開始電圧の条件を満たさなかった。

なお、比較例２、比較例３、および比較例４では、水酸化アルミニウムの粒径が０．９μｍと小さかったため、良好な密着性が得られた。水酸化アルミニウムの粒径を小さくすること、例えば１μｍ以下とすることで、導体２０と発泡絶縁体３０との良好な密着性を得ることができる。

実施例１および実施例２によれば、発泡度を３０％以上８０％以下とするための、水酸化アルミニウムの含有量（添加量）としては、ＰＰＳ樹脂に対して０．３ｗｔ％以上１ｗｔ％以下とすることができる。

また、発泡度を３０％以上８０％以下とするための、水酸化アルミニウムの粒径としては、１μｍ以下とすることができる。

以上、実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

以下、本発明の好ましい形態について付記する。

（付記１）
導体と、
前記導体の周囲に形成され、発泡領域を有する発泡絶縁体と、
を備え、
前記発泡絶縁体は、ポリフェニレンサルファイド樹脂とアルミナとを含有する樹脂組成物からなり、前記発泡絶縁体の発泡度は、３０％以上８０％以下である絶縁電線。

（付記２）
前記アルミナの含有量は、水酸化アルミニウムに換算して、前記ポリフェニレンサルファイド樹脂に対して０．３ｗｔ％以上１ｗｔ％以下である付記１に記載の絶縁電線。

（付記３）
前記アルミナの粒径は、１μｍ以下である付記１または２に記載の絶縁電線。

（付記４）
導体と、
前記導体の周囲に形成され、発泡領域を有する発泡絶縁体と、
を備え、
前記発泡絶縁体は、ポリフェニレンサルファイド樹脂と水酸化アルミニウムとを含有する樹脂組成物を前記水酸化アルミニウムの脱水反応により発泡させた樹脂組成物からなり、前記発泡絶縁体の発泡度は、３０％以上８０％以下である絶縁電線。

（付記５）
ポリフェニレンサルファイド樹脂と水酸化アルミニウムとを含有する樹脂組成物を前記水酸化アルミニウムの脱水反応により発泡させる工程と、
発泡させた前記樹脂組成物を、導体の周囲に押出し、発泡度が３０％以上８０％以下である発泡絶縁体を形成する工程と、
を有する絶縁電線の製造方法。

（付記６）
前記水酸化アルミニウムの含有量は、前記ポリフェニレンサルファイド樹脂に対して０．３ｗｔ％以上１ｗｔ％以下である付記５に記載の絶縁電線の製造方法。

（付記７）
前記水酸化アルミニウムの粒径は、１μｍ以下である付記５または６に記載の絶縁電線の製造方法。

１０絶縁電線（発泡巻線）
２０導体
３０発泡絶縁体
３１発泡領域（発泡部分）

Claims

ポリフェニレンサルファイド樹脂と水酸化アルミニウムとを含有する樹脂組成物を前記水酸化アルミニウムの脱水反応により発泡させる工程と、
発泡させた前記樹脂組成物を、導体の周囲に押出し、発泡度が３０％以上８０％以下である発泡絶縁体を形成する工程と、
を有する絶縁電線の製造方法。
前記水酸化アルミニウムの含有量は、前記ポリフェニレンサルファイド樹脂に対して０．３ｗｔ％以上１ｗｔ％以下である請求項１に記載の絶縁電線の製造方法。
前記水酸化アルミニウムの粒径は、１μｍ以下である請求項１または２に記載の絶縁電線の製造方法。