積層スタックの絶縁クラスの選定：油、水、熱

断熱クラスに関する議論のほとんどは、マシンの不適切なレベルで行われている。.

誰かが「クラスHの積層板」をリクエストしてきました。通常、これはクラスHの モーター. それらは別の購入です。A 積層スタック ミクロン単位の薄い層間コーティングが施されており、溶接、インターロック、接着、リベット、クリートといった組み立て方法が採用されています。巻線には、銘板に記載されている耐熱クラスが示されています。 これら2つは相互に影響し合いますが、一方が他方の定格を引き継ぐことはなく、両者を混同することから生じる故障は、進行が緩やかで目立たず、現場での診断には多額の費用がかかります。.

この記事では、これら2つのシステムを区別した上で、スタックが油中、湿気中、あるいは180 °C以上の環境に置かれた場合に、実際にどのような変化が生じるかを順を追って解説します。.

2つの断熱システム、1つのコア

層間コーティング これは、渦電流がシート間を横断するのを防ぐために設けられています。この絶縁層は、打ち抜き加工、応力除去焼鈍、接合、ワニスや樹脂の含浸といった工程に耐え、さらにその後数十年にわたり、機械内で発生するあらゆる流体や温度条件に耐え続けなければなりません。 この膜は薄く（通常0.5～5 µm）、その性能は、文字による等級ではなく、表面絶縁抵抗、焼鈍抵抗、および化学的安定性によって表されます。.

巻線絶縁システム これが「熱クラス」が示す内容です。すなわち、スロットライナー、相および層の絶縁材、電線エナメル、ウェッジ、リード絶縁材、含浸樹脂が、すべて合わせて認定されたものです。このクラスは、 組み合わせ, 、システムとして経年劣化している。.

問題が発生する原因：スタックは、巻線システムの熱エンベロープ内に配置されています。スロットライナーが収縮したり、樹脂が軟化したり、ワニスが化学的に劣化したりすると、銅からコアへの熱伝達経路が変化し、スタックはベンチテストでの検証結果よりも余裕の少ない状態で動作し始めます。鋼材自体には問題ありません。 磁気特性にも問題はありません。装置下部の熱分布が変化してしまったのです。.

サーマルクラスでは実際に何が期待できるのか

文字による等級（B：130 °C、F：155 °C、H：180 °C、200、220）は、システムが許容される耐久性を保ちながら維持できる最高温度を指します。周囲温度ではありません。筐体の温度でもありません。 オイルサンプの平均温度でもありません。巻線の最も高温となる箇所、通常はスロットの中央部を指します。.

以下に示す計算式こそが、しっかりと理解しておくべき部分です：

システムをそのクラスの限界まで稼働させると、耐熱試験の結果は20,000時間前後になる傾向があります。 連続運転の場合、これは2年強に相当します。電動工具であれば問題ありませんが、10年間稼働することが想定されているポンプにとっては不十分です。そのため、温度上昇値より1クラス上の絶縁クラスを指定するのが一般的な慣例となっています。つまり、絶縁クラスはF級、温度上昇はB級という具合です。 大まかな目安として、「温度上昇が10 K高くなるごとに寿命は半分になり、10 K低くなるごとに寿命はおよそ2倍になる」という考え方は、絶縁体の経年劣化を予測する上で有用な計画ツールとなります。ただし、実際には、絶縁体よりも先に、軸受グリース、熱サイクル、駆動側の電圧ストレスなどが信頼性を左右することがよくあります。.

つまり、この授業での問いは、実際には2つの問いが重なっているのです。その設計は、推定ではなく実証された結果として、実際にどのようなホットスポットを生み出すのか？そして、そのホットスポットはどのような化学環境の中に存在するのか？

コーティングの種類と、環境がそれらに及ぼす影響

層間コーティングは、天然のミルオキサイドから有機ワニス、完全無機系のリン酸塩およびケイ酸塩系、さらにはハイブリッド系に至る「Cシリーズ」に分類されます。リスト全体を羅列するよりも、環境条件を考慮して選定を行う際に重要な点を以下に示します。.

この表からは、言語という概念が曖昧にしがちな2つのことが読み取れる。.

まず、「クラス番号が大きい」からといって「優れている」とは限りません。 充填型無機コーティングは超硬工具に対して摩耗性が高く、有機系コーティングと比較して金型のメンテナンスコストを著しく増加させる可能性があります。もしその部品が、数千万個単位で生産される0.25 mmのステーターラミネーションであるならば、工具寿命は単なる脚注ではなく、重要なコスト項目となります。.

第二に、焼鈍工程は「必須条件」であり、「任意の選択肢」ではありません。磁性ターゲットが打ち抜き後に応力除去を必要とする場合（特に、シリコン含有量が高く、厚みが薄く、歯が細かいものについては、その必要性が高い傾向にあります）、有機物を含むコーティングはすべて除外されるか、あるいは焼鈍後の抵抗値が文書で証明されている必要があります。 コーティングの候補を絞り込む前に、製造ルートを決定してください。打ち抜き方法、バリの許容限界、接合方法、焼鈍の有無、ハウジングへの適合性などです。その後、それらを考慮してもなお妥当なコーティングを選択してください。.

油環境

オイル冷却は、必要なクラスを上げるものではありません。通常、断熱材が受ける温度を下げるものであり、それがオイル冷却の目的です。オイルが変化させるのは その分類に該当する材料はどれか.

熱的判定の上に適用される化学的フィルタ。. 鉱物油中で膨潤または可塑化するポリマーフィルムは、その耐熱温度にかかわらず不適格となります。エステル系作動油は鉱物油とは挙動が異なり、オートマチックトランスミッションフルードはさらに異なる特性を持っています――添加剤パッケージ、含水率、使用期間中の酸性度などが異なります。 アラミド系複合材料は、鉱物油およびエステル系作動油のいずれにおいても化学的安定性を示すため、作動油を使用する機器において長年の実績があります。その実績は、実験室環境下で作成されたデータシートの数値よりもはるかに価値があります。.

通常、債券発行枠こそが真の限界となります。. これは、多くの仕様書で見落とされがちな部分です。 スタックはクラスHの機械内に設置されていても、ガラス転移温度が80～100 °Cの範囲にある接着層を含んでいられる。電磁鋼板用水性エポキシワニスシステムに関する公表された研究では、硬化した層のガラス転移温度がおよそ81 °Cから102 °Cの範囲にあり、 また、ロール剥離強度は100 °Cで50%付近、140 °Cで約75%まで低下することが示されています。周囲の絶縁システムのクラスでは、この接合部を保護できませんでした。接着剤について以下の点を確認してください。 ラミネート時のホットスポット, 、モーターに刻印されているクラス表記ではありません。.

石油が必ずしも老化の主な要因であるとは限らない。. エポキシ接着された電磁鋼板積層板に対する疲労試験および層間剥離試験の結果、熱風中および油性冷却媒体中におけるき裂進展挙動は、特定の条件下では概ね類似しており、疲労閾値の交差点は流体ではなく接着剤の遷移領域に追従することが示された。 熱や粘弾性軟化は、流体との接触と同様に重要な要因となり得る。場合によっては、それ以上に重要となることもある。.

油中での熟成は、空気中での熟成とは異なる法則に従います。. 浸漬により酸素が遮断されるため、有機成分の酸化劣化が抑制されます。一方、熱、流体、振動は、何十年にもわたって接着接合部に作用し続けます。油中での適格性が適切に確認されたクラスFの積層材は、通常、接着剤の検証が乾燥状態でのみ行われた、名目上はより高いクラスの材料よりも長持ちします。 エージングの基準について尋ねてみてください。もし「フィルムの定格温度は180 °Cです」という回答が返ってきた場合、それは単層に関する回答に過ぎません。.

ボンド線の太さ。. ある一定点を超えると、厚ければ強いというわけではありません。ある研究によると、剥離強度は接着剤の厚さが約20 µmまで増加するにつれて上昇しましたが、その後は横ばいとなりました。接着剤を余分に使うと積層率が低下するだけで、何のメリットもありません。.

油冷却式スタックに関する実用上の要件：油の経年変化後の剥離またはせん断 使用温度において, 、常温での浸漬でも、48時間の浸漬でもありません。さらに、スタックが構造用である場合は、同じ媒体中で周期的な荷重を加える必要があります。.

水、湿度、および密閉流体環境

湿気による影響は、他の要因とは異なる形で現れます。これは熱的なメカニズムではなく化学的なメカニズムであり、定格限界にはほど遠い状態のシステムであっても、その機能を損なう可能性があります。.

ポリエステルフィルム――ほとんどのスロットライナーの基盤となる低コストの主力素材で、グレードに応じてクラスEからBに分類される――は、加水分解の影響を受けやすい。 高温多湿の密閉環境では、分子量と絶縁耐力が低下する。フィルムは脆化する。ポリエステルコアを持つ複合紙は、外側のアラミド層に何の問題がなくても、コア層にその弱点を引き継ぐ。そのため、相対湿度約60%以下の環境での保管は、これらの材料にとって単なる倉庫管理上の気難しさではなく、真に重要な仕様となっている。 加水分解安定性を大まかにランク付けすると、ポリフェニレンスルフィドおよびポリイミドフィルムは耐性が強く、ポリエチレンナフタレートは中程度、ポリエステルは最も弱い部類に入る。.

密閉されたコンプレッサー内部では、状況はさらに悪化します。水分、潤滑油、冷媒、そして熱が相まって、酸の生成を促す可能性があります。ポリエステル製の部品で加水分解が始まると、その損傷はその層にとどまらず、絶縁体全体に広がっていきます。 スロットライナーの状態、ワニスの状態、リード絶縁体など、すべてが変化し、それに伴って熱的挙動も変化します。.

スタック自体に関しては、水によって2つの異なる問題が生じます：

• 切断面の腐食。. コーティングはシートの表面を覆っています。パンチ加工されたエッジは素地鋼のままで、バリが残っています。凝縮用途や、ウェットローター式および缶型構造では、このエッジが腐食の発生源となります。ここでは、表面抵抗率よりも、バリの厳格な管理と耐食性コーティングの組成がより重要となります。.
• 水分膜を介した層間短絡。. 乾燥状態では十分に機能する低抵抗の酸化物コーティングであっても、導電性膜が積層板間を架橋してしまうと、その余裕が失われる可能性があります。機器が結露サイクルにさらされる場合は、測定済みの表面絶縁抵抗値を指定するとともに、その値を保持するための湿度暴露条件を定めてください。.

結露防止加熱、排水、通気口、および保護等級は、別の図面に記載されている場合でも、断熱設計の決定事項の一部となります。結露が生じるほど低温にならない機械は、そのクラスから想定されるよりも緩やかな断熱要件で稼働していることになります。.

180 °C以上

ホットスポットがクラスHラインを通過すると、材料のセット幅は急速に狭まり、コストは緩やかに上昇するのではなく、段階的に上昇するようになる。.

ポリエステル系フィルムは姿を消した。 その役割を、アラミド紙、ポリイミドフィルム、ポリフェニレンスルフィドフィルム、マイカ複合材、および耐熱樹脂が担っている。純アラミド紙は、約220 °Cでの連続使用が可能で溶融しないが、フィルム系製品よりも吸湿性が高い。これは、偶然ではなく、意識的に選択すべきトレードオフである。.

スタック側では、約180 °C以上の持続温度下において、その用途に特化して開発された接着剤システムであり、かつその温度でのデータが確保されている場合を除き、接着を主要な接合方法として採用し続けることは難しくなります。溶接やインターロッキングは構造的にはより魅力的になりますが、接合部が層間に侵入する部分では層間性能が低下します。 充填剤を含む無機コーティングは、バーンオフ修理や高温プロセス工程に耐えることができます。中には約420 °Cまでの耐熱性が報告されているものもあり、これは巻線をバーンオフしてコアを再利用するリワインド工場にとって重要な点です。.

その過程にも注目してください。溶接や自動積層における挙動を考慮して選ばれた薄いコーティングは、長時間の熱保持後も電気的分離を維持できるコーティングとは異なる場合があります。この両方の条件に最適なコーティングはごくわずかです。.

確かな選択手順

1. まずは製造ルートを修正してください。. パンチ加工かレーザー加工か、バリの発生箇所、焼鈍の有無、接合方法、ハウジングとの接合部。.
2. 認証済みのホットスポットを入手して、, 計算上の周囲温度ではありません。代表的な構成における熱電対または内蔵型検出器のデータであり、最悪の運転条件（最高周囲温度、最低冷却水流量、熱交換器の寿命末期）でのものです。.
3. 巻線クラスを、設計上昇値より1段階高く設定する そのアプリケーションが真に断続的に動作する場合を除き。.
4. フルイドフィルターを取り付けてください。. 具体的な液体の名称を明記してください：鉱物油、合成エステル、天然エステル、トランスミッションフルード、冷媒＋潤滑剤、脱イオン水・グリコール混合液。濃度および添加剤の配合内容を含めてください。.
5. 接着面とコーティング面を別々にスクリーニングする 同じホットスポットに対して。システムのクラスを、そのいずれかの代わりとして用いないでください。.
6. サービスのように見えるように、資格条件を定義してください。. 実際の流体中で、実際の温度下で、実際の負荷条件下において、意味のある期間にわたって熟成させる。.
7. それから価格を設定してください。. 高温用アラミド繊維をクラスBの家電用モーターに過剰に採用すると、信頼性の向上につながらないにもかかわらず、絶縁コストが数倍に膨れ上がる可能性があります。.

ステップ6は、通常、プログラムの成否が決まる段階です。室温で測定された新しい試料のラップせん断データは、高温の油中で繰返し荷重を受ける接着積層体については、予測価値がほとんどありません。.

よくあるご質問

油冷式モーターには、より高い絶縁クラスが必要ですか？ 通常はその逆です。効果的な液体冷却によりホットスポットが低減されるため、より低いクラスを選択できるようになります。オイルの役割は、選択したクラス内で使用可能な材料を限定することです。指定する際には、クラスと使用する液体の正確な名称の両方を明記してください。.

モーターの銘板に記載されているクラスに基づいて、スタックの接着剤を選定することは可能ですか？ いいえ。このクラスは、組み合わせとして経年変化した巻線絶縁システムを規定したものです。積層内部の接着層は、クラス限界値より80～100 K低いガラス転移温度であっても、その機械向けに販売されることがあります。積層部のホットスポットに対して接着剤をスクリーニングしてください。.

油浸コアにおいて、有機系と充填剤を組み合わせた被覆は許容されますか？ 一般に、リスクの高い選択肢と見なされています。有機成分は、長年にわたり高温の流体と接触する部分です。長期の油中浸漬には、完全に、あるいは大部分が無機成分で構成されたコーティングが従来から用いられており、これらは応力除去焼鈍にも耐えることができます。.

湿度の高い環境では、何が最初に壊れるのでしょうか？ ポリエステル系の部品は加水分解により、パンチ加工された縁部は腐食により破損します。いずれの破損も、機械が熱的限界に近い状態にある必要はありません。.

設計にはどの程度の熱的余裕を持たせるべきでしょうか？ 絶縁温度寿命は10 K上昇するごとに、おおよそ半分になったり2倍になったりするため、ほとんどの産業用設計では、絶縁等級より1段階低い温度上昇を目標としています。間欠運転の機械では、電力密度を高めるために意図的に高温で運転されることがあり、その場合は絶縁温度寿命の短縮を受け入れています。.

応力除去焼鈍を行うと、絶縁材の選定に影響はありますか？ それが決定要因となります。アニーリング可能なコーティングは、不活性雰囲気またはわずかに還元性の雰囲気下で、およそ800～850 °Cの温度に耐えることができますが、その後、表面抵抗率が低下する可能性があります。有機物を含むシステムは、燃焼して消失するか、抵抗を低下させる炭素残留物を残します。コーティングの候補を絞り込む前に、アニーリングの条件を決定しておく必要があります。その後に決定してはいけません。.

見積書を最も改善できる情報は、何でしょうか？ 最初のメッセージには、確認済みのホットスポット温度と具体的な流体の種類を記載してください。この2つの値があれば、対象となる材料の大部分を即座に除外でき、1週間にも及ぶやり取りを省くことができます。.