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絶縁塗料、絶縁電線、及びコイル
説明

絶縁塗料、絶縁電線、及びコイル

【課題】高い部分放電開始電圧と、長期的な高い耐熱劣化性とを有する絶縁電線の絶縁皮膜の原料となる絶縁塗料、その絶縁電線、及びその絶縁電線を用いて形成されるコイルを提供する。
【解決手段】本発明の一態様において、有機溶剤と、前記有機溶剤に溶解したポリイミド樹脂と、を含み、前記ポリイミド樹脂は、繰り返し単位に3つ以上の芳香環を含み、脂肪族基を含有しないジアミン成分と、分子量が200以上であり、連結基として脂肪族炭化水素を含まないテトラカルボン酸二無水物成分との反応により生成される、絶縁塗料を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、絶縁塗料、絶縁電線、及びコイルに関する。
【背景技術】
【0002】
モータなどの電気機器を構成するコイルには、導体上に絶縁塗料を塗布し、焼付けして絶縁皮膜を形成することにより得られる絶縁電線が使用されている。この絶縁塗料は、一般に、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミドなどの樹脂をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)やN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAC)等の極性溶媒に溶解することにより得られる。
【0003】
特に、ポリイミド絶縁塗料は、例えば、ジアミン成分とテトラカルボン酸二無水物との主に2成分の反応から得られるポリイミド樹脂からなる。中でも、ジアミン成分として4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(ODA)を用いて、テトラカルボン酸二無水物成分としてピロメリット酸二無水物(PMDA)を用いるものが最もよく知られている。
【0004】
なお、ポリイミド樹脂からなる絶縁塗料の製造は、例えば二段階合成法や高温溶液重合法、イソシアネート法を用いる一段階合成法が知られているが、簡便な方法であることから、一般的には二段か合成法が用いられている。
【0005】
ところで、近年、モータなどの電気機器は、小型・軽量で高出力なものが望まれていることから、インバータ制御によって駆動されるものが増えつつある。しかし、電気機器がインバータ制御によって駆動される場合、コイルを構成する絶縁電線に部分放電が発生するリスクがインバータサージにより高まる。そのため、コイルに使用される絶縁電線に対して部分放電に対する耐性の強化が種々検討されている。
【0006】
この部分放電に対する耐性を向上させる方法として、絶縁皮膜の誘電率を低下させて絶縁電線間の電界(線間に存在する空気層に加わる電界)を緩和して部分放電を発生しにくくし、耐性を向上させる方法などがある(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
一方、モータなどの電気機器では、高出力化のために電圧を昇圧させて使用する傾向にある。このため、コイルを構成する絶縁電線には、従来よりも大きい電流が流れることになり、この大電流化によって多くの熱が発生する環境下で絶縁電線は使用されることになる。
【0008】
また、絶縁電線の占積率を向上させるために、絶縁電線をより密に配線することが検討されているが、占積率を向上させると発生した熱が逃げ難い、つまり放熱性が悪くなってしまう。
【0009】
このような環境下で使用される絶縁電線は、高温の熱が加わったとしても、絶縁皮膜が劣化し、亀裂などが発生しないように、長期にわたって保たれる十分な耐熱性(耐熱劣化性)が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開2010−132725号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかし、従来の絶縁電線では、耐熱劣化性を向上させようとすると、部分放電開始電圧が低くなるという問題があった。
【0012】
したがって、本発明の目的の一つは、高い部分放電開始電圧と、長期的な高い耐熱劣化性とを有する絶縁電線の絶縁皮膜の原料となる絶縁塗料、その絶縁電線、及びその絶縁電線を用いて形成されるコイルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
(1)本発明の一態様によれば、上記目的を達成するため、有機溶剤と、前記有機溶剤に溶解したポリイミド樹脂と、を含み、前記ポリイミド樹脂は、繰り返し単位に3つ以上の芳香環を含み、脂肪族基を含有しないジアミン成分と、分子量が200以上であり、連結基として脂肪族炭化水素を含まないテトラカルボン酸二無水物成分との反応により生成される、絶縁塗料が提供される。
【0014】
(2)上記絶縁塗料において、前記ジアミン成分は、4,4‘−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル)及びビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホンの少なくともいずれか一方を含んでもよい。
【0015】
(3)上記絶縁塗料において、前記ポリイミド樹脂は、分子中に脂肪族炭化水素を含有しなくてもよい。
【0016】
(4)上記絶縁塗料において、前記テトラカルボン酸二無水物は、ピロメリット酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、4,4’−オキシジフタル酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、4,4’−(2,2−ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸二無水物のうちのいずれか1種以上を含んでもよい。
【0017】
(5)また、本発明の他の態様によれば、前記導体上、又は前記導体上の他の皮膜上に、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の絶縁塗料を用いて形成されたポリイミド樹脂からなる絶縁皮膜と、を含む絶縁電線が提供される。
【0018】
(6)上記(5)に記載の絶縁皮膜は、部分放電開始電圧が1000Vpよりも大きい絶縁電線が提供される。
【0019】
(7)また、本発明の他の態様によれば、上記(5)又は(6)に記載の絶縁電線を用いて形成されたコイルが提供される。
【発明の効果】
【0020】
本発明の一態様によれば、高い部分放電開始電圧と、長期的な高い耐熱劣化性とを有する絶縁電線の絶縁皮膜の原料となる絶縁塗料、その絶縁電線、及びその絶縁電線を用いて形成されるコイルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の実施の形態に係る絶縁電線の断面図
【発明を実施するための形態】
【0022】
[実施の形態]
本発明者等は、耐熱劣化性と部分放電開始電圧との関係を鋭意検討した結果、分子中の連結基に脂肪族炭化水素が存在すると、その脂肪族炭化水素の部分が熱によって消失してしまい、消失した部分が熱劣化の原因となってしまうことを見出した。そこで、特定のジアミンとテトラカルボン酸二無水物とを使用したポリイミド樹脂を用いることにより、長期的な耐熱劣化性と高い部分放電開始電圧との両方を備える絶縁皮膜を得ることに成功した。
【0023】
(絶縁塗料)
本実施の形態の絶縁塗料は、有機溶剤と、有機溶剤に溶解した分子中にポリイミド樹脂とを含む。ポリイミド樹脂は、繰り返し単位に3つ以上の芳香環を含み、脂肪族基を含有しないジアミン成分と、分子量が200以上であり、連結基として脂肪族炭化水素を含まないテトラカルボン酸二無水物成分との反応により生成される。
【0024】
ジアミン成分とテトラカルボン酸二無水物成分が脂肪族基を含まないため、脂肪族炭化水素の消失に起因する熱劣化が抑えられ、絶縁塗料から形成される絶縁皮膜に長期にわたって熱が加えられても熱劣化が生じ難い。また、脂肪族炭化水素の消失に伴う分子量低下による絶縁皮膜の機械的特性の低下や皮膜割れを抑えることができる。
【0025】
また、ジアミン成分として繰り返し単位に3つ以上の芳香環を含むジアミンを使用することで、モノマーの分子量が大きくなり、分子骨格中の繰返し単位当たりのイミド基(極性基)の存在割合を低下させることができる。このため、誘電率が低く、高い部分放電開始電圧を有する絶縁皮膜を絶縁塗料から形成することが出来る。
【0026】
なお、本発明のポリイミド樹脂は、重量平均分子量Mwが25000以上であることが好ましい。
【0027】
本実施の形態の有機溶剤としては、ポリイミド樹脂の合成反応を阻害しない溶剤、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)やγ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルイミダゾリジノン(DMI)、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン等、が用いられる。複数種の溶剤を併用してよいし、希釈して用いてもよい。但し、ポリイミド樹脂の溶解性を低下させる恐れがある場合は考慮する必要がある。
【0028】
ジアミン成分は、低誘電率化の観点から、分子量が大きく、繰返し単位当たりのイミド基濃度が低いものが好ましい。本実施の形態のジアミン成分としては、繰り返し単位に3つ以上の芳香環を含み、脂肪族基を含有しないジアミン成分が用いられる。
【0029】
特に、ジアミン成分は、4,4‘−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル)及びビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホンの少なくともいずれか一方を含むことが好ましい。これら2つを併用する場合は、配合割合に制限はなく、例えばモル比率で「1/99以上99/1以下」の範囲の割合で配合することができる。
【0030】
テトラカルボン酸二無水物としては、ピロメリット酸二無水物(PMDA)、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)、3,3’4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物(DSDA)、4,4’−オキシジフタル酸二無水物(ODPA)、3,3’4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、4,4’−(2,2−ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸二無水物(6FDA)等が用いられる。複数種のテトラカルボン酸二無水物を併用してもよい。
【0031】
(絶縁電線)
図1は、本実施の形態に係る絶縁電線1の断面の一例を表す。本実施の形態に係る絶縁電線1は、導体10と、導体10を被覆する絶縁皮膜11とを有する。
【0032】
導体10は、銅等の導電材料からなる導体線である。銅としては、無酸素銅や低酸素銅などが主に用いられる。また、導体10は、多層構造を有してもよく、例えば、銅線の表面にニッケル等の金属めっきを施したものであってもよい。導体10の断面形状は、例えば、丸形状、又は四角形状である。
【0033】
絶縁皮膜11は、導体10上、又は導体10上の密着層等の他の皮膜上に、本実施の形態の絶縁塗料を塗布し、焼付けることにより形成される。
【0034】
絶縁電線1は、絶縁皮膜11上に、潤滑性を付与するための潤滑付与層や耐傷性を付与する耐傷性付与層、可とう性付与層、密着性付与層などを有してもよい。
【0035】
また、絶縁電線1を用いて、例えばモータや発電機等の電気機器を構成するコイルを形成することができる。
【0036】
(実施の形態の効果)
本実施の形態の絶縁塗料は、ジアミン成分が脂肪族基を含まず、テトラカルボン酸二無水物成分が連結基として脂肪族炭化水素を含まないため、分子中の連結基に脂肪族炭化水素が存在しない。そのため、この絶縁塗料を用いて、高い部分放電開始電圧と、長期的な高い耐熱劣化性とを有する絶縁電線を形成することができる。また、その絶縁電線を用いてコイルを形成することができる。
【実施例】
【0037】
以下の実施例1、2及び比較例に示す条件で絶縁塗料を作製し、それぞれの絶縁塗料を用いて絶縁電線の絶縁皮膜を作製した。その後、それぞれの絶縁電線に対して、部分放電開始電圧の測定、耐熱劣化試験、及びガラス転移温度測定を行った。
【0038】
(実施例1)
ジアミン成分として、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル(BAPB)を628.1g用いた。また、テトラカルボン酸二無水物成分として、ピロメリット酸二無水物(PMDA)を371.9g用いた。ここで、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル)は、繰り返し単位に4つの芳香環を含み、脂肪族基を含まない。
【0039】
(実施例2)
ジアミン成分として、ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(BAPS)を664.8g用いた。また、テトラカルボン酸二無水物として、ピロメリット酸二無水物(PMDA)を335.2g用いた。ここで、ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホンは、繰り返し単位に4つの芳香環を含み、脂肪族基を含まない。
【0040】
(比較例)
ジアミン成分として、4,4−ジアミノジフェニルエーテル(ODA)を359g用いた。また、テトラカルボン酸二無水物として、ピロメリット無水物(PMDA)を391.2g用いた。ここで、4,4−ジアミノジフェニルエーテルは、繰り返し単位に2つの芳香環を含み、脂肪族基を含まない。
【0041】
〔絶縁塗料の作製〕
攪拌棒、窒素流入管を取り付けたフラスコ内で、ジアミン成分と、溶剤としての3000gのNMPを配合し、室温下、回転数100rpmで攪拌し、ジアミン成分を溶解させた。次に、酸成分としての、分子量が200以上であり、連結基として脂肪族炭化水素を含まないテトラカルボン酸二無水物成分をフラスコ内に添加し、回転数100rpm、窒素雰囲気下で24時間攪拌し、ポリイミド樹脂絶縁塗料を得た。ここで、ジアミン成分とテトラカルボン酸二無水物成分は等モル量用いた。
【0042】
〔絶縁電線の作製〕
作製したポリイミド樹脂絶縁塗料を直径0.8mmの導体上に塗布、焼付けを繰り返すことにより、厚さ50μmの絶縁皮膜を形成し、絶縁電線を得た。
【0043】
〔部分放電開始電圧測定〕
JIS C 3003に準拠する試験方法により、絶縁電線を対より(ツイストペア)にしたサンプルを作製した。次に、サンプルの端部から10mmの位置まで絶縁皮膜を削って端末処理部を形成した。次に、端末処理部に電極を接続し、温度23℃、湿度50%の雰囲気で50Hzの電圧を印加した。
【0044】
その後、10〜30V/sの割合で昇圧し、絶縁電線に100pCの放電が1秒間に50回発生するときの電圧値を求めた。これを3回繰返し、3つの電圧値の平均値を部分放電開始電圧とした。測定の結果、部分放電開始電圧が1000Vpよりも大きいものを合格とした。
【0045】
〔耐熱劣化試験〕
作製した絶縁電線を220℃の恒温槽に投入し、1000時間加熱した。加熱後の絶縁電線について、絶縁皮膜に割れが生じないものを耐熱劣化試験に合格(○)とし、割れが生じた場合を不合格(×)とした。
【0046】
〔ガラス転移温度測定〕
200μmギャップのアプリケータを用いて、ガラス板上に上記の絶縁塗料を塗布し、100℃で30分間焼成して絶縁フィルムを形成した。次に、絶縁フィルムをガラス板から剥離し、端部を鉄製枠にカプトンテープで固定した。次に、絶縁フィルムを200℃で30分間、さらに300℃で30分間焼成した後、5mm×20mmのサイズに切断した。
【0047】
次に、動的粘弾性測定装置(アイティー計測制御(株)製DVA−200)を用いて、室温から350℃まで10℃/minで昇温し、10Hz振動時の貯蔵弾性率を測定し、貯蔵弾性率の低下する変曲点での温度をガラス転移温度(Tg)とした。
【0048】
実施例1、2及び比較例の絶縁電線についての評価及び測定の結果を表1に示す。
【0049】
【表1】

【0050】
表1に示されるとおり、実施例1、2に係る絶縁電線は、長期にわたって耐熱劣化性が優れると共に、高い部分放電開始電圧を有する。一方、比較例に係る絶縁電線は、長期にわたって耐熱劣化性が優れるものの、部分放電開始電圧が実施例1、2に係る絶縁電線よりも低い。
【0051】
これらの結果は、絶縁塗料に含まれるジアミン成分の違いにより現れていると考えられる。実施例1、2に係るジアミン成分である4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホンは、繰り返し単位に3つ以上の芳香環を有するという、上記実施の形態のジアミン成分の条件を満たす。一方、比較例に係るジアミン成分である4,4−ジアミノジフェニルエーテルは、繰り返し単位に3つ以上の芳香環を有さず、上記実施の形態のジアミン成分の条件を満たさない。
【0052】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【0053】
1 絶縁電線
10 導体
11 絶縁皮膜

【特許請求の範囲】
【請求項1】
有機溶剤と、
前記有機溶剤に溶解したポリイミド樹脂と、
を含み、
前記ポリイミド樹脂は、繰り返し単位に3つ以上の芳香環を含み、脂肪族基を含有しないジアミン成分と、分子量が200以上であり、連結基として脂肪族炭化水素を含まないテトラカルボン酸二無水物成分との反応により生成される、絶縁塗料。
【請求項2】
前記ジアミン成分は、4,4‘−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル)及びビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホンの少なくともいずれか一方を含む、
請求項1に記載の絶縁塗料。
【請求項3】
前記ポリイミド樹脂は、分子中に脂肪族炭化水素を含有しない、
請求項1又は2に記載の絶縁塗料。
【請求項4】
前記テトラカルボン酸二無水物は、ピロメリット酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、4,4’−オキシジフタル酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、4,4’−(2,2−ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸二無水物のうちのいずれか1種以上を含む、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の絶縁塗料。
【請求項5】
導体と、
前記導体上、又は前記導体上の他の皮膜上に、請求項1〜4のいずれか1項に記載の絶縁塗料を用いて形成されたポリイミド樹脂からなる絶縁皮膜と、
を含む絶縁電線。
【請求項6】
前記絶縁皮膜は、部分放電開始電圧が1000Vpよりも大きい請求項5に記載の絶縁電線。
【請求項7】
請求項5又は6に記載の絶縁電線を用いて形成されたコイル。



【図1】
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【公開番号】特開2013−103943(P2013−103943A)
【公開日】平成25年5月30日(2013.5.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−246166(P2011−246166)
【出願日】平成23年11月10日(2011.11.10)
【出願人】(000005120)日立電線株式会社 (3,358)
【Fターム(参考)】