多层绝缘线和使用该绝缘线的变压器的制作方法

专利名称：多层绝缘线和使用该绝缘线的变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有二个以上绝缘层的多层绝缘线，以及使用该绝缘线的变压器。具体地说，本发明涉及这样一种多层绝缘线，它耐热度和高频特性优越，用于包含在电子/电气设备等中的变压器中的引线和绕组。本发明也涉及使用该多层绝缘线的变压器。
背景技术：
例如在IEC标准(International Electrotechnical Communication Standards，国际电工通信标准)pub.950中规定了变压器的结构。例如这些标准规定，在绕组中，涂装(coating)导体的漆膜不认为是绝缘层；具有规定厚度的绝缘体，或较厚的绝缘体要插入初级绕组和次级绕组之间；或三层绝缘体，其中三层中任意两层通过规定的耐压测试(在运行电压1,000伏时，施加3,000伏电压它们能够承受1分钟或更多)，该三层绝缘体要插入初级绕组和次级绕组之间；并且在初级绕组和次级绕组之间取规定的爬电(creeping)距离。
因此，在当前使用漆包线的主流变压器中，例如采用示于图2的剖面图结构。即，结构是这样的，用于保证爬电距离的绝缘壁(2)安置在线圈架(1)的环形表面上相对的两端；初级绕组(3)环绕在绝缘壁之间；绝缘胶带(4)在其上至少缠绕三层；然后用于保证爬电距离的绝缘壁(2)安置在环形表面的相对的两端，及次级绕组(5)缠绕在它们之间。
此外，近几年来，例如已经开始出现具有示于

图1结构剖面图的变压器，取代具有示于图2结构的变压器。该变压器的特征是，通过使用至少具有三层绝缘层的绝缘线作为初级绕组(3)和/或次级线(5)，略去绝缘壁(2)和绝缘胶带(4)，整个体积减小。在示于图1的例中，初级绕组(3)在导体(3a)的外环形表面上有三层绝缘层(3b，3c和3d)。此结构带来的优点是用于缠绕绝缘壁(2)和绝缘胶带(4)的操作的步骤数能够减少/略去。
所知道的这种三层绝缘线的举例是，通过绕着导体的外环形表面缠绕绝缘胶带形成第一绝缘层，然后在其上缠绕另一绝缘胶带形成第二绝缘层，然后在其上形成第三绝缘层；并且其中取代绝缘胶带，将氟树脂连续挤压(extrude)在导体的外环形表面上，以在整个导体上形成三层绝缘层(JU-A-3-56112(“JU-A”表示未实审的公开的日本实用新型申请))。
然而，通过上述绝缘胶带缠绕的绝缘不能避免缠绕操作，并且由此产生这样的问题，生产率很低，增加了生产成本。此外，尽管上述用氟树脂绝缘在耐热度和高频特性方面优越，但树脂的成本高，并且还有，当以高剪切率拉伸导体时，外观的状态特性上劣化。因此难以增加生产速度，产生具有氟树脂的电线的成本很高的问题，绝缘胶带缠绕的成本也高，结果是变压器的生产成本增加。为解决这个问题，例如本发明的发明人建议了一种绝缘线，其中被改进以使得防止出现晶化及抑制分子重量减少的出现的聚酯树脂被挤压到导体的外环形表面上，形成第一和第二绝缘层，然后挤压聚酰胺树脂作为第三绝缘层覆盖(JP-A-6-223634(“JP-A”表示未实审的公开的日本专利申请(US-A-5,606,152))。
然而，不能说这种多层挤压涂装绝缘线能令人满意地满足将来改进变压器性能的要求，该要求将变得越来越严格。
首先，随着近几年电气/电子设备体积变小，产生的热很容易有对变压器的影响，并且因此，即使在上述三层挤压涂装绝缘线的情况下，仍需要更高的耐热度。此外，使得变压器电路中使用的频率成为高频，并且因此需要高频的电气特性方面的改进。
为满足这种需要，本发明的发明人建议，用聚醚砜的内层和聚酰胺的最外层覆盖的电线作为在耐热度方面改进的多层绝缘线(JP-A-10-134642)。
本发明的一个目的是提供一种多层绝缘线，它解决了传统多层绝缘线中存在的上述问题，实现变压器中这种作为耐热度F级(155℃)的高耐热度，满足IEC950标准，或更高耐热度。它能即使在高频下也表现出优越的电特性。
此外，本发明的另一目的是提供一种变压器，其中当它使用在高频中时，电气特性不下降，并且防止产生的热的影响。
从下面联系附图的描述中，本发明的其它和进一步的目的、特征和优点将更清楚。
本发明的公开鉴于上述目的，已经做过大量调查的本发明的发明人发现，当使用作为较好挤压的耐热度树脂的聚醚砜树脂按重量100份和无机填料按重量10到100份的混合物，形成两层或更多层挤压涂装绝缘层中的至少一层时，耐热度进一步改善，高频的电特性更好，并且还有抗热冲击性(裂缝保护)和涂装绝缘层的耐溶剂性改善。本发明是基于上述发现完成的。
即，按照本发明提供了(1)在导体上直接或通过某些其它层提供，或在由集中在一起的导体芯或绝缘芯组成的多芯线的外侧上提供具有两个或更多挤压涂装绝缘层的多层绝缘线，其中至少一个绝缘层由通过将聚醚砜树脂按重量100份和无机填料按重量10到100份混合而制备的混合物组成；(2)在导体上直接或通过某些其它层提供，或在由集中在一起的导体芯或绝缘芯组成的多芯线的外侧上提供具有两个或更多挤压涂装绝缘层的多层绝缘线，其中至少一个绝缘层由通过将聚醚砜树脂按重量100份和无机填料按重量20到70份混合而制备的混合物组成；(3)如上述(1)或(2)所述的多层绝缘线，其中至少作为最外层形成由混合物组成的绝缘层；(4)如上述(1)、(2)或(3)所述的多层绝缘线，其中混合物中无机填料的比例外层比内层连续地增加；(5)如上述(1)、(2)、(3)或(4)之一所述的多层绝缘线，其中无机填料包括至少从钛氧化物和氧化硅中选择的一种；(6)如上述(1)、(2)、(3)、(4)或(5)之一所述的多层绝缘线，其中无机填料具有0.1到5微米的平均粒子直径；(7)一种多层绝缘线，包括上述(1)、(2)、(3)、(4)、(5)或(6)任何之一所述的多层绝缘线，其表面涂有石蜡和/或蜡；和(8)一种变压器，其中利用如上述(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)或(7)任何之一所述的多层绝缘线。
同时，本发明中的最外层是指挤压涂装绝缘层中位于离导体最远处的层。
附图的简单描述图1是具有用三层绝缘线作绕组的结构的变压器示例的剖视图；图2是具有传统结构的变压器示例的剖视图；图3是测量静摩擦系数方法的示意图。
实现本发明的最佳方式本发明的绝缘线特征在于，它有两个或更多、最好三个挤压涂装绝缘层，并且至少其中的一层由给定的树脂和无机填料的混合物构成。
混合物中的树脂是聚醚砜树脂，并且此聚醚砜树脂的使用改善了电线功能中的耐热度、可挤压性、韧性。
在此，作为本发明使用的聚醚砜树脂，能提到具有下式(1)的结构式(1)

其中R1表示单键或-R2-O-，其中可有取代基(例如烷基)的R2表示亚苯基或双亚苯基，并且n是足够大的正整数以给出聚合物。
生产此种树脂的方法是共知的方法，作为例子，可提到这样一种制造方法，其中二氯二苯基砜、双醛、碳酸钾在高沸点溶剂中起反应。作为工业可用的树脂，例如可提到Sumikaexcel PES(商标名，由Sumitomo ChemicalCo.，LTD.制造)，Radel A和Radel R(商标名，由Amoco制造)。
此外，树脂的分子重量越大越好，并且越改善电线功能的韧性。然而，如果树脂的分子重量太大，难以将树脂挤压成薄膜。在本发明中，聚醚砜树脂具有与分子重量直接成正比的对比粘度(在25℃的恒温箱中聚醚砜树脂的二甲基甲酰胺溶液的粘度(在100ml的二甲基甲酰胺中1g的聚醚砜树脂)，使用Ubbelohde’s粘度计测量)，最好是0.36或更多，在0.41到0.4的范围内特别好。
特别是，当要使用的无机填料的量大时，鉴于产生的绝缘线的韧性，最好使用对比粘度大的聚醚砜树脂。
在本发明的绝缘线中，除了由聚醚砜树脂和无机填料的混合物构成的绝缘层之外的绝缘层，可以仅由树脂而没有任何无机填料构成，并且鉴于耐热度和可挤压性，这种树脂最好是聚醚砜树脂。
此外，代替聚醚砜树脂，能够使用聚醚亚酰胺树脂制造绝缘层，尽管从挤成薄膜的可挤压性来看，聚醚亚酰胺树脂次于聚醚砜树脂。
例如，在作为溶剂的邻-二氯苯中，2，2’-双[3-(3，4-二羧基苯氧基)-苯基]丙烷二酸酐和4，4’-二氨基二苯基甲烷的溶液缩聚，能够合成聚醚亚酰胺树脂，并且作为工业可用的树脂，例如可用ULTEM(商标名，由GE Plastics Ltd.制造)。
下面，作为能够用在本发明中的无机填料，可提到氧化钛、氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钡、碳酸钙、粘土、滑石粉等。在这些中，氧化钛和氧化硅最好，因为它们在树脂中的分散性好，它们的粒子几乎不聚集，并且它们在绝缘层中几乎不出现空洞，结果，产生的绝缘线的外观好，并且几乎不会出现电气特性的异常。最好无机填料有0.01到5微米的平均粒子直径，更最好是0.1到3微米。如果粒子直径太大，由于空洞的注入问题及表面平滑性的降低，电线的外观某些时候恶化。此外，吸水性高的无机填料某些时候降低了电气特性，因此吸水性低的无机填料是最好的。在此，“吸水性低”意指在室温(25℃)和60％的相对湿度下的吸水率是0.5％或更低。
能够用在本发明中的工业用无机填料包括例如为钛氧化物的FR-88(商标名；由FURUKAWA CO.，LTD.制造；平均粒子直径0.19微米)，FR-41(商标名；由FURUKAWA CO.，LTD.制造；平均粒子直径0.21微米)，和RLX-A(商标名；由FURUKAWA CO.，LTD.制造；平均粒子直径3到4微米)；作为氧化硅的UF-007(商标名；由Tatsumori，LTD.制造；平均粒子直径5微米)和5X(商标名；由Tatsumori，LTD.制造；平均粒子直径1.5微米)；作为氧化铝的RA-30(商标名；由Iwatani International Corporation制造；平均粒子直径0.1微米)；作为碳酸钙的Vigot-15(商标名；由SHIRAISHI KOGYOKAISHA，LTD.制造；平均粒子直径0.15微米)和Softon(商标名；由BIHOKUFUNKA KOGYO CO.，LTD.制造；平均粒子直径3微米)。
在上述混合物中，对于上述树脂按重量100份，无机填料的比例是按重量10至100份。如果此比例小于按重量10份，则不能得到所需的高耐热度和高频特性，此外，抗热冲击性变坏，不能防止出现到导体的裂缝，并且此外耐溶剂性变坏。另一方面，如果该比例是按重量100份以上，无机填料的分散稳定性和电线功能中的韧性明显恶化，结果电气特性(击穿电压和耐压)下降。本发明中的抗热冲击性指由于缠绕应力(模拟绕组)的抗热冲击的特性。鉴于耐热度、高频特性、抗热冲击性、耐溶剂性、和其它所需的电气特性中的均衡，最好对于上述树脂的接重量100份，无机填料的比例是按重量20到70份，并且更好为按重量25到50份。
用在本发明中的上述树脂混合物能通过使用常用的搅拌机诸如双螺旋挤压机、粉碎机和联合粉碎机熔融和混合制备。对混合的温度等没有特别的限制。然而，最好很好地分别执行树脂和无机填料的干燥，使得吸水率是0.1％或更少。
在本发明中，绝缘线的两层或更多绝缘层中的至少一层是由上述混合物构成的绝缘层。由上述混合物构成的绝缘层的位置不受特别限制，并且该层可以是最外层或不是最外层的一层。当绝缘线因任何原因应用到高于部分放电初始电压的电压时，由于电晕的表面断裂可能从电线彼此接触部分的附近处开始，其中在高压和高频下断裂发生得更严重，使线的断裂容易加剧，由此使得电特性下降。因此，为了预防这种现象，最好由上述聚醚砜树脂和无机填料的混合物构成的层至少提供于本发明的绝缘线中的最外层(并且可选另一绝缘层)。在这种情况下，鉴于例如耐热度和抗热冲击性的改进，所有层能够由上述混合物构成，但是在某些情况下，电特性(击穿电压和耐压)略有降低。因此，所有层中最好一层或几层由上述混合物构成，或无机填料的比例在外层比在内层更多增加。在这种情况下，如果仅最外层由上述混合物构成，耐热度、高频V-t特性、耐溶剂性和抗热冲击性能够大大改善，但是在较外层中无机填料的比例增加则更好，因为两层之间的粘附改善了。
最好是，如此形成的挤压涂装绝缘层的整个厚度控制在60到180微米范围之内。尤其最好是，挤压涂装绝缘层的整个厚度在70到150微米范围之内。最好是，每个绝缘层的厚度控制在20到60微米范围之内。
本发明的多层绝缘线在上述两层或更多挤压涂装绝缘层上的外侧有具有着特定功能的覆盖层作为电线的最外层，对于本发明的绝缘线，如果必要，能够使用石蜡、蜡(例如脂肪酸和蜡)等作为表面处理剂。用于漆包绕组的冷冻机油在润滑性方面不好，并且在绕线操作中容易刮削，但是此问题通过用通常的方式使用石蜡或蜡能够得到解决。
作为用在本发明中的导体，能够使用裸导体、具有一漆膜或一薄绝缘层涂在裸导体上的绝缘导体、由缠绕的导体芯组成的多芯绞线、或由每个有漆膜或被涂的薄绝缘层的缠绕的绝缘线组成的多芯绞线。多芯绞线(所谓的利兹线)的缠绕线数目根据所需场合任意选择。另外，当多芯线的线数目大时，例如19或37单元线(37-element wire)，多芯线(单元线)可以是绞线或非绞线的形式。在非绞线中，例如，其中每个可以是裸线或绝缘线以形成单元线的多导体可以仅集合(收集)在一起，以近似平行的方向将它们束缚在一起，或以很大的节距扭绞将它们束缚在一起。在这些情况的每种情况中，它们的剖面最好是圆形或近似圆形。
本发明的多层绝缘线能够用作任何类型变压器的绕组，包括图1所示的。在变压器中，通常初级绕组和次级绕组在一芯上以层的方式绕制，但是本发明的多层绝缘线可以应用到初级绕组和次级绕组交替绕制的变压器(JP-A-5-152139)中。此外，在本发明的变压器中，上述多层绝缘线可以用于初级绕组和次级绕组，并且，如果具有三层挤压绝缘层的绝缘线用于初级绕组和次级绕组之一，另外的一个可是漆包线。附带说明，在具有两个挤压绝缘层的绝缘线仅用作一个绕组，另一个用漆包线的情况下，一层绝缘胶带需放置在绕组之间，并且需要绝缘壁保证爬电距离。
本发明的多层绝缘线有这种非常好的作用和效果，即耐热度足够高以满足耐热度F级，它有高耐溶剂性、不形成热冲击裂缝另外高频电特性好。使用上述多层绝缘线的本发明的变压器能够满足电子/电气设备体积越来越小的需要，由于变压器良好的电特性，当电路中使用高频时，不降低电特性，变压器较少受产生的热的影响。
举例现在参照下列例子将描述本发明，但是本发明不局限于此。
例1到9及比较例1到3在示于表1和2的每个导体上形成由具有示于表1和表2的组合的树脂混合物构成的三层绝缘涂层，并且执行示于表1和2的表面处理，制造多层绝缘线。在例9中，导体由每个覆盖有聚酰胺-酰亚胺的及直径0.15毫米的七扭绞线组成，并且在其它情况下，该导体是直径为0.4毫米的退火的铜线。每个绝缘涂层的厚度是33微米，并且所有三层的总厚度是100微米。
对于如此获得的多层绝缘线，测试或测定下列特性，结果示于表1和2。
(1)耐溶剂性按照JIS C 3003-198414.1(2)和15.1的测定，在绝缘线浸入60℃的二甲苯中30分钟之后，测定出现或不出现涂层的膨胀，并且测量铅笔硬度。
(2)绝缘击穿电压按照JIS C 3003-198411.(2)的双扭绞方法，测量绝缘击穿电压。
(3)耐热度按照IEC标准的950标准条目2.9.4.4的附录U(绝缘线)和条目1.5.3的附录C(变压器)，通过下列测试方法，测定耐热度。
在118Mpa的负载下，绕着直径6毫米的芯子缠绕十匝多层绝缘线。将它们放在240℃的恒温器中达1小时，然后在190℃下72小时，然后放置在25℃和湿度95％的空间中48小时。接着马上进行3KV的耐压达1分钟。当没有电短路时，认为通过F级(用n＝5进行判定。如果甚至当n＝1时它是NG，认为它没通过测试。)。
(4)抗热冲击性按照IEC 851-6测试9测定抗热冲击性。在缠绕到相同的直径(1D)之后，将它们放在240℃的恒温器中达30分钟，并且当涂层中没有裂缝时，判定是好的。
(5)高频V-t特性按照JIS C 3003-198411.(2)的双扭绞方法，进行测试取样，并且在施加4kV电压、频率100kHz和10微秒的脉冲持续时间时直到短路发生，进行寿命(min)测试。
(6)静摩擦系数(绕制能力(coilability))用示于图3的装置进行测量。在图3中，7表示多层绝缘线，8表示负载盘，9表示滑轮，10表示负载。设负载10的质量是F(g)，当质量是W(g)的负载盘8开始移动时，从F/W中得出静摩擦系数。获得的数字值越小，表面的光滑性越好，绕制能力越好。
(7)吸水率通过Karl Fischer型水容量测量装置来测量吸水率。加热温度是200℃。顺便说一下，将在例1到例9和比较例1和2中使用的材料进行干燥，使得吸水率0.05％或更少。将在比较例3中使用的材料干燥，使得吸水率为0.2％。表1

(注)*0 Sumikasel PES(商标名，由Sumitomo Chemical Co.，Ltd.制造)；在例1，5和6中PES的对比粘度是0.48，例2到4中是0.41。
*1 重量份对100重量份的树脂*2 FR-88(商标名，由FuRuKAWA CO.，Ltd.制造)平均粒子直径0.19微米*3 RLX-A(商标名，由FuRuKAWA CO.，Ltd.制造)平均粒子直径3到4微米*4 UF-007(商标名，由Tatsumori Ltd.制造)平均粒子直径5微米表2

(注)*0 例7到9和比较例2中PES的对比粘度是0.48，在比较例1和3中是0.41。
*1 重量份对100重量份的树脂*5 5X(商标名，由Tatsumori Ltd.制造)平均粒子直径1.5微米*6 Vigot-15(商标名，由SHIRAISHI KOGYO KAISHA，LTD.制造)平均粒子直径0.15微米。
例1到9的多层绝缘线通过耐热度F级，并且在抗热冲击性试验中，它们不产生裂缝，并且耐溶剂性和耐化学性很好。
在例1中，这种绝缘线中，所有绝缘层由本发明指定的树脂和无机填料的混合物构成的，包括耐热度的特性是好的，特别是高频V-t特性是优异的。
例2和3这种绝缘线中，包括最外层的两层是由上述混合物构成的，特性是好的且很均衡。
例4到9的绝缘线中，仅最外层是由上述混合物构成，特性是好的且很均衡，绝缘击穿电压高，及高频V-t特性好。由于表面处理剂的使用，静摩擦系数小，因而绕制性好。在例6中，由于氧化硅的粒子直径大，与树脂的兼容性低，与例5中的相比，绝缘击穿电压和高频V-t特性有点低。在例7中，使用具有小粒子直径的氧化硅，该绝缘线总的来说是好的。此外，在例8中，由于无机填料的吸水率高，与例5中的相比，高频V-t特性有点低。在例9中，导体是绝缘线的扭绞线，绝缘击穿电压和高频V-t特性尤其好。
相反，在比较例1中，在耐溶剂性中观测到涂层的膨胀，在抗热冲击性试验及耐热度试验中形成裂缝。
在比较例2中，由于无机填料的量太大，在正常状态下的韧性大大降低，结果绝缘击穿电压、耐热度和抗热冲击性不好，及高频V-t特性明显下降。
比较例3是最外层由聚酰胺(尼龙)6，6构成的绝缘线，耐热度低，抗热冲击性不好，及高频V-t特性明显低。
工业应用性本发明的多层绝缘线最好适合于用在高频设备中，诸如计算机、家用电器的部件和通信设备中，由于其耐热度足够高满足耐热度F级，它具有高耐溶剂性，不形成热冲击裂缝，并且还有，高频电特性好。
此外，使用多层绝缘线的本发明的变压器最好适合于日益需要小体积的电子/电气设备中，因为该变压器在电特性方面良好，当在电路中使用高频时，电特性不降低，变压器受产生的热的影响较小。
已经参照本实施例描述了我们的发明，我们的意图是本发明不受任何描述细节的限制，除非特别说明，否则从广义上认为是在本发明的实质和范围之内，如同在附属的权利要求中所提出的。
权利要求
1.在导体上直接或通过某些其它层提供，或在由集中在一起的导体芯或绝缘芯组成的多芯线的外侧上提供具有两个或更多挤压涂装绝缘层的多层绝缘线，其中至少一个所述绝缘层由通过将聚醚砜树脂按重量100份和无机填料按重量10到100份混合而制备的混合物组成。
2.在导体上直接或通过某些其它层提供，或在由集中在一起的导体芯或绝缘芯组成的多芯线的外侧上提供具有两个或更多挤压涂装绝缘层的多层绝缘线，其中至少一个所述绝缘层由通过将聚醚砜树脂按重量100份和无机填料按重量20到70份混合而制备的混合物组成。
3.如权利要求1或2所述的多层绝缘线，其中至少作为最外层形成由所述混合物组成的所述绝缘层。
4.如权利要求1、2或3之一所述的多层绝缘线，其中所述混合物中无机填料的比例外层比内层连续地增加。
5.如权利要求1、2、3或4之一所述的多层绝缘线，其中所述无机填料包括至少从钛氧化物和氧化硅中选择的一种。
6.如权利要求1、2、3、4或5之一所述的多层绝缘线，其中所述无机填料具有0.1到5微米的平均粒子直径。
7.一种多层绝缘线，包括权利要求1、2、3、4、5或6任何之一所述的多层绝缘线，其表面涂有石蜡和/或蜡。
8.一种变压器，其中利用如权利要求1、2、3、4、5、6或7任何之一所述的多层绝缘线。
全文摘要
在导体上直接或通过一层形成、或在导体外侧或通过将多个绝缘导体束缚在一起构成的多导线外侧形成具有两层或更多挤压覆盖绝缘层。至少一个绝缘层由聚醚砜树脂按重量100份和无机填料按重量10到100份的紧密混合物组成。也披露了通过使用这种多层绝缘线生产的变压器。该变压器具有遵循IEC950标准至少F级(155℃)的耐热度,即使在高频下也具有良好的电特性。即使在高频下,该变压器不损失电特性,不受热影响。
文档编号H01B3/44GK1241282SQ9880148
公开日2000年1月12日 申请日期1998年10月5日 优先权日1997年10月6日
发明者东浦厚, 小林勇, 千田尚之, 森邦彦 申请人:古河电气工业株式会社