CN102822907A - 高频电线及高频线圈 - Google Patents

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Abstract

一种高频电线，包括：中心导体1，由铝或铝合金构成；覆盖层2，由覆盖中心导体1的铜构成，在长度方向上具有纤维状组织；以及金属间化合物层3，形成在中心导体1与覆盖层2之间，体积电阻率大于覆盖层2的体积电阻率，覆盖层2的剖面面积相对于中心导体1、金属间化合物层3及覆盖层2相加的整体的剖面面积为15%以下。

Description

高频电线及高频线圈
技术领域
本发明涉及一种高频电线及高频线圈，尤其涉及各种高频设备的绕组、利兹线及电缆等中使用的高频电线及高频线圈。
背景技术
在使用高频电流的设备(变压器、马达、电抗器、感应加热装置及磁头装置等)的绕组及供电电缆中，由于该高频电流所产生的磁场，在导体内产生涡电流损耗，其结果交流电阻增大(趋肤效应及邻近效应增大)，引起发热及耗电增大。作为抑制趋肤效应及邻近效应增大的对策，通常使线细径化或采用将各金属线绝缘覆盖而成的利兹线来实现(例如参照专利文献1~5)。
然而，在现有技术手段中，在用于连接的焊接处理中，绝缘皮膜的去除作业困难，并且金属线根数增加，因此细径化是有限度的，而且在邻近效应与趋肤效应相比处于压倒性支配低位的线径下，没有发现有效的抑制对策，通过细径化对策所能够获得的特性是有限度的，这是常识性的。另外，虽然在专利文献1~5中公开了对策例，但均是想法，没有具体化，不能说是有效的对策。
此外，在专利文献2中，绞合多根由中心导体及外侧导体构成的复合导体，并进行热处理而制造出再结晶化的高频电线，但是在该电线中，难以充分抑制邻近效应，并且在制造时容易损伤及变形，难以充分稳定作为线圈的特性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-129550号公报
专利文献2：日本特开昭62-76216号公报
专利文献3：日本特开2005-108654号公报
专利文献4：国际公开2006/046358号
专利文献5：日本特开2002-150633号公报
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种能够抑制交流电阻，且能够抑制发热及耗电的高频电线及高频线圈。
根据本发明的一个方式，提供一种高频电线，包括：中心导体，由铝或铝合金构成；覆盖层，由覆盖中心导体的铜构成，在长度方向上具有纤维状组织；以及金属间化合物层，形成在中心导体与覆盖层之间，体积电阻率大于覆盖层的体积电阻率，覆盖层的剖面面积相对于中心导体、金属间化合物层及覆盖层相加的整体的剖面面积为15%以下。
根据本发明的另一个方式，提供一种高频线圈，使用高频电线，高频电线包括：中心导体，由铝或铝合金构成；覆盖层，由覆盖中心导体的铜构成，在长度方向上具有纤维状组织；以及金属间化合物层，形成在中心导体与覆盖层之间，体积电阻率大于覆盖层的体积电阻率，覆盖层的剖面面积相对于中心导体、金属间化合物层及覆盖层相加的整体的剖面面积为15%以下。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的高频电线的一例的剖视图。
图2是表示比较例的铜线的剖视图。
图3是表示比较例的铜覆盖铝线的剖视图。
图4是用于说明本发明的实施方式的趋肤效应的示意图。
图5是用于说明本发明的实施方式的邻近效应的示意图。
图6是表示本发明的实施方式的趋肤效应深度与频率的关系(电线单体的单线模型下的理论值)的图表。
图7是对本发明的实施方式的铜线与铝线表示趋肤效应与频率的关系(电线单体的单线模型下的理论值)的图表。
图8是对本发明的实施方式的铜线与铝线表示邻近效应与频率的关系(电线单体的单线模型下的理论值)的图表。
图9是将本发明的实施方式的集合导体卷绕在铁芯上的变压器模型中的磁芯的电流引起的磁通与漏磁通的示意图。
图10是表示本发明的实施方式的高频变压器的例子的特性(理论值)的图表。
图11是本发明的实施方式的涡电流的分段模型(segment model)及其等效回路。
图12是表示本发明的实施方式的高频电线与比较例的高频电线的结构及特性(实测值)的表。
图13(a)是表示通过SCR方式制造的韧铜(TPC)的加工组织的剖面的光学显微镜的照片。图13(b)是表示通过浸渍成型方式制造的铜线的加工组织的剖面的光学显微镜的照片。
图14(a)是表示通过SCR方式制造的韧铜(TPC)的再结晶组织的剖面的光学显微镜的照片。图14(b)是表示通过浸渍成型方式制造的铜线的再结晶组织的剖面的光学显微镜的照片。
图15是表示本发明的实施方式的拉丝模具的一例的示意图。
图16是表示拉丝时的剪应力的区分的示意图。
图17(a)是表示本发明的实施方式的拉丝时应力分布分析结果的示意图(其一)。图17(b)是表示本发明的实施方式的拉丝时应力分布分析结果的示意图(其二)。图17(c)是表示本发明的实施方式的拉丝时应力分布分析结果的示意图(其三)。
图18是表示本发明的实施例1的覆盖层与中心导体的界面的透射电子显微镜观察结果的照片。
图19(a)是表示本发明的实施例1的能量色散型X射线光谱分析(EDS)结果的图表(其一)。图19(b)是表示本发明的实施例1的EDS分析结果的图表(其二)。图19(c)是表示本发明的实施例1的EDS分析结果的图表(其三)。图19(d)是表示本发明的实施例1的EDS分析结果的图表(其四)。
图20(a)是本发明的实施例2的电抗器的俯视图。图20(b)是本发明的实施例2的电抗器的侧视图。图20(c)是本发明的实施例2的电抗器的另一侧视图。
图21是表示本发明的实施例2的电抗器的特性(实测值)的表。
图22是表示本发明的实施例3的电抗器的特性(实测值)的图表。
图23是表示本发明的实施例3的电抗器的特性(实测值)的表。
具体实施方式
接着，参照附图说明本发明的实施方式。在以下附图的记载中，对同一或类似的部分标以同一或类似的标号。但是，附图仅是示意性的，应注意厚度与平面尺寸的关系、各层的厚度的比例等与现实是不同的。因此，具体的厚度及尺寸应参照以下说明来判断。此外，附图相互之间当然也包括彼此的尺寸的关系及比例不同的部分。
此外，以下表示的实施方式例示用于将本发明的技术思想具体化的装置及方法，本发明的技术思想不将构成部件的材质、形状、结构、配置等限定为以下说明的内容。本发明的技术思想可以在权利要求书的范围内进行各种变更。
(高频电线的结构)
如图1所示，本发明的实施方式的高频电线包括：中心导体1，由铝(Al)或铝合金构成；覆盖层2，覆盖中心导体1，由铜(Cu)构成；以及金属间化合物层(合金层)3，以组分从中心导体1到覆盖层2倾斜地变化的方式形成在中心导体1与覆盖层2之间，体积电阻率大于覆盖层2的体积电阻率。
覆盖层2的剖面面积相对于将中心导体1、金属间化合物层3及覆盖层2相加的高频电线整体的剖面面积为15%以下，优选3%~15%程度，更优选3%~10%程度，进一步优选3%~5%程度。覆盖层2相对于高频电线整体的剖面面积之比越小，越能够减小高频电阻。高频电线整体的直径优选为0.05mm~0.6mm程度。
作为中心导体1，能够使用例如电工铝(EC铝)或Al-Mg-Si系合金(JIS6000系列)的铝合金，由于铝合金与EC铝相比体积电阻率大，因此更优选铝合金。
金属间化合物层3是在高频电线的拉丝工序中使用减面率分别为20%以上的组合为多级的模具，对覆盖有覆盖层2的中心导体1进行拉丝而生成。金属间化合物层3的厚度为10nm~1μm程度。金属间化合物层3包含例如Cu9Al4及CuAl2等。金属间化合物层3的体积电阻率大于覆盖层2的体积电阻率，例如为10μΩ-cm~40μΩ-cm程度。
通常情况下，变压器或电抗器等的绕组使用通过聚氨酯、聚酯、聚酯酰亚胺、聚酰胺酰亚胺或聚酰亚胺等对图2所示的铜线100进行绝缘覆盖而成的绕组。在同轴电缆中，由于是高频电流信号，因此考虑到趋肤效应特性，使用例如在图3所示的铝线101的外侧薄薄地覆盖铜层102而成的铜覆盖铝线(以下称为“CCA线”)。
近年来，高频变压器、高速马达、电抗器、感应加热装置、磁头装置及非接触供电装置等使用数kHz~数100kHz程度的高频电流的设备的用途逐渐扩大，在这种设备所使用的高频电线中，以减小交流损失为目的，通常使绕组细径化，或使用利兹线。然而，在用于连接的焊接处理中，绝缘皮膜的去除作业困难，并且金属线根数增加，因此细径化是有限度的。而根据本发明的实施方式的高频电线，不使用利兹线，并且对用于抑制交流电阻增大的细径化电线带来更大的抑制效果。
如图4所示，在导体中，由于内部磁通，导体内有涡电流流动，并且作为趋肤效应而使交流电阻增大。此外，如图5所示，在导体中，由于外部磁通，导体内由涡电流流动，并且作为邻近效应而使交流电阻增大。
图6表示电线单体的单线模型中的频率与趋肤效应深度(skindepth)的关系。趋肤效应深度是指电流密度为表面的电流密度的1/e(约0.37)的位置距离电线表面的深度。从图6可知，在适用频率为100kHz程度以下的情况下，金属线径为0.5mm(相当于约0.25mm的趋肤效应深度的2倍)时趋肤效应的影响小。
图7及图8分别通过交流电阻Rac与直流电阻Rdc之比(Rac/Rdc)表示直径0.4mm的电线单体的单线模型下的趋肤效应及邻近效应引起的交流电阻-频率特性。在图8中，将外部磁场H设为37.8A/mm。在图7的趋肤效应的情况下，与图8的邻近效应的情况相比，Rac/Rdc的增大趋势很小。而在图8的邻近效应的情况下，若频率增高，则Rac/Rdc显著增大。该增大趋势取决于外部磁场的强度。即，细径化绕组中的高频电流引起的交流损失中，邻近效应为支配性的。此外，从此处的理论计算结果可知，与铜线相比，铝线具有小的邻近效应特性。作为邻近效应对策，除了在可能的范围内减小导体的线径以外，增大导体的体积电阻率的方法是有效的，但该增大也有限度，优选从通常使用的导体材料中进行选择。比较通用导体材料即铜与铝，导电率为铜的约61%的铝具有优异的邻近效应减小特性。而在铝的情况下表面被氧化皮膜覆盖，尤其从邻近效应对策的观点考虑而设计的细线的情况下去除该氧化皮膜非常困难。因此，在铝线的外侧薄薄地覆盖有铜的CCA线受到关注。
而在CCA线的情况下，由于铜的体积电阻率小于铝，因此由于外部磁场而产生的涡电流容易集中于铜侧而向线的长度方向流动，即使将邻近效应小于铜的铝用作中心导体，其本来的特性也受损。
作为高频电力设备的实例，图9表示高频变压器模型。高频变压器模型包括磁芯10、卷绕磁芯10的周围的第1绕组11及第2绕组12。除了相邻的第1及第2绕组11、12中流动的电流引起的磁通以外，来自磁芯10的漏磁通也流入第1及第2绕组11、12，因此产生这些外部磁通引起的涡电流损耗。因此，在高频变压器模型中，与电线单体的单线模型相比，交流电阻的增大较大。
图10通过Rac/Rdc表示图9所示的高频变压器模型的交流电阻-频率特性的理论计算值。可知在该实际模型的情况下也是铝线与铜线相比交流电阻显著减小。上述的铝线的优越性是铝的体积电阻率大于铜引起的。相反，铝线在焊接性方面有难度。因此，在实用中考虑适用能够弥补铝的缺点的CCA线，但由于在外侧设置有铜层，因此涡电流在铜层流过，相反铝线本来的特性受损。
而根据本发明的实施方式的高频电线，如图1所示，由于体积电阻率比覆盖层2高的金属间化合物层3，如图11所示，能够抑制从中心导体1向覆盖层2流入的涡电流，能够抑制趋肤效应及邻近效应。此外，由于在中心导体1与覆盖层2的界面生成有金属间化合物层3，因此等效地成为减小了覆盖层2的厚度的线径，由此能够减小邻近效应。从而，即使不是绞合线(利兹线)，也能够抑制交流电阻，能够抑制发热及耗电。
接着，对比说明本发明的实施方式的高频电线与作为比较例的在再结晶温度以上进行热处理而再结晶化的高频电线。本发明的实施方式的高频电线是使用组合为多级的模具，对覆盖有覆盖层2的中心导体1进行拉丝而生成的，因此如图12中的示意性表示，中心导体1及覆盖层2成为加工组织，在长度方向上具有纤维状组织。在此，加工组织是接受了冷加工的组织。冷加工是指，在再结晶温度以下进行的加工。此外，纤维状组织是指，晶粒通过拉丝加工而向拉丝方向拉伸的组织。作为这种加工组织的例子，图13(a)表示通过SCR(SouthwireContinuous Rod)方式制造的直径0.9mm的韧铜(TPC)的加工组织的剖面，图13(b)表示通过浸渍成型方式制造的直径0.9mm的无氧铜(OFC)的加工组织的剖面。
而比较例的高频电线如图12的示意性表示，具有在再结晶温度以上进行热处理而再结晶化的再结晶组织。在此，再结晶组织是指，由于冷加工而生成了应变的晶粒通过再结晶而置换为没有应变的结晶的组织。作为再结晶组织的例子，图14(a)表示通过SCR方式制造的直径0.9mm的韧铜(TPC)的再结晶组织的剖面，图14(b)表示通过浸渍成型方式制造的直径0.9mm的无氧铜(OFC)的再结晶组织的剖面。
此外，如图12所示，本发明的实施方式的高频电线与比较例的高频电线相比，固有电阻值高，因此更能抑制邻近效应。此外，本发明的实施方式的高频电线与比较例的高频电线相比，维氏硬度高，因此在制造时难以损伤及变形，作为线圈的特性更稳定。
(高频电线的制造方法)
接着，说明本发明的实施方式的高频电线的制造方法。另外，以下表示的制造方法为一例，不特别进行限定。本发明的实施方式的高频电线能够通过各种制造方法来制造。
(a)准备直径9.5mm~12.0mm程度的由铝或铝合金构成的中心导体1。在中心导体1的表面上，通过纵向设置方式设置0.1mm~0.4mm程度的厚度的铜带并进行TIG焊接或等离子焊接等，从而在中心导体1的表面上覆盖覆盖层2。接着，通过表皮光轧(skin pass)将覆盖有覆盖层2的中心导体1成型为直径9.3mm~12.3mm程度，从而制作出由覆盖有覆盖层2的中心导体1构成的母材。
(b)接着，使母材通过25~26级(pass)程度的多级的拉丝模具，从而进行拉丝。如图15所示，拉丝模具20包括入口（entrance）部21、工作(approach)部22、缩小（reduction）部23、定径(bearing)部24及出口锥(back relief)部25。母材4在缩小部23被加工成比拉丝前的直径d1小的直径d2。在本发明的实施方式中，在各拉丝模具中，将图15所示的缩小角度α设为8°(全角2α=16°)程度，将每1级(拉丝模具)的减面率设为20%程度以上，优选20%~29%程度。通过将拉丝模具的减面率设为20%程度以上，优选设为20%~29%程度，能够持续产生同一方向的大剪应力。由于该剪切热，在中心导体1与覆盖层2的界面，形成由中心导体1的材料和覆盖层2的材料构成的金属间化合物层3。经过多级的拉丝模具，最终使高频电线的直径成为0.6mm程度以下。
根据本发明的实施方式的高频电线的制造方法，在拉丝工序中使组合为多级的模具的减面率为20%以上，从而在拉丝后不进行热处理就能够在中心导体1与覆盖层2之间形成金属间化合物层3，能够制造图1所示的高频电线。
图16及图17(a)~图17(c)表示拉丝时的纵剖面应力分布的有限元法(FEM)分析结果。根据图16所示的剪应力的区分，图17(a)~图17(c)表示拉丝模具的减面率为5%、10%及20%的情况的拉丝时的纵剖面应力分布。从图17(a)~图17(c)可知，在拉丝模具的减面率为20%的情况下，与拉丝模具的减面率为5%及10%的情况相比，产生大的剪应力。在本发明的实施方式中，使用减面率为20%以上的多个拉丝模具逐渐进行拉丝，连续且周期性地产生比较大的剪切热，从而能够以组分在中心导体1与覆盖层2之间倾斜地变化的方式，以良好的结合状态生成金属间化合物层3。
(实施例1)
作为本发明的实施例1，使用减面率分别为20%以上的多个拉丝模具，如图1所示制作在中心导体1与覆盖层2之间形成有金属间化合物层3、覆盖层2的剖面面积为高频电线整体的剖面面积的5%的高频电线(以下称为“5%CCA线”)。首先，在直径9.5mm的由铝构成的中心导体1上通过纵向设置方式设置0.15mm厚的铜带并进行TIG焊接，通过表皮光轧成型为直径9.25mm，制作出母材。使该母材通过多级(26级)的拉丝模具，从直径9.25mm减小到直径0.4mm。拉丝模具的缩小角度α一律设为8°(全角2α=16°)，将第1级~第3级的减面率设为29%~24%，将第4级~第10级的减面率设为23%~21%，将第11级~第26级的减面率设为21%~20%。
对本发明的实施例1的5%CCA线，使用透射电子显微镜(TEM)观察铜/铝界面。通过TEM观察，确认了在第14级后的1.6mm直径上生成了10nm以上厚度的良好的结合状态的金属间化合物。在第26级后的0.4mm直径上也同样确认了10nm以上厚度的金属间化合物。
图18表示5%CCA线的TEM照片。在图18中，黑色部分表示铜，白色部分表示铝，灰色部分表示金属间化合物层。从图18可知，以组分从中心导体1到覆盖层2倾斜地变化的方式，以良好的结合状态生成了金属间化合物层3。图19(a)~图19(d)分别表示通过能量色散型X射线光谱分析(EDS)对图18所示的中心导体1的点P1、金属间化合物层3的中心导体侧的点P2、覆盖层2的点P3、金属间化合物层3的覆盖层2侧的P4进行的点分析结果。确认了如图19(b)所示在金属间化合物层3的中心导体1侧铝原子富裕，且如图19(d)所示在金属间化合物层3的覆盖层2侧铜原子富裕。从图19(a)~图19(d)可知，从中心导体1到覆盖层2构成金属间化合物层3的金属材料倾斜地分布。此外，作为金属间化合物层3的组分，Cu9Al4及CuAl2为主体，Cu9Al4及CuAl2的固有电阻在薄平状下为约10μΩ-cm以上。铜的固有电阻为1.724μΩ-cm，因此金属间化合物层的固有电阻为铜的5倍以上，可以说是足够大的值。
(实施例2)
作为本发明的实施例2，如图20(a)~图20(c)所示，制作在拉丝为0.4mm的5%CCA线上覆盖有聚氨酯的绕组(以下称为“5%CCA绕组”)，并制作包括磁芯32和在磁芯32的周围配置的5%CCA绕组31的电抗器。5%CCA绕组31使用14根，其匝数设为80匝。此外，作为比较例，使用铝绕组及铜绕组分别制作电抗器。使用所制作的各电抗器测定直流电阻及交流电阻。
图21表示比较本发明的实施例2的5%CCA绕组与铝绕组及铜绕组的特性。在电感大致一致的电抗器中，若比较5%CCA绕组与铜绕组，则可知虽然直流电阻为1.57倍，但交流电阻减小到约一半。
(实施例3)
作为本发明的实施例3，除了使用与本发明的第2实施例相同的5%CCA绕组的电抗器之外，在与使用5%CCA绕组的电抗器相同的条件下，分别制作使用图1所示的覆盖层2的剖面面积为电线整体的剖面面积的15%的高频电线的绕组(以下称为“15%CCA绕组”)、覆盖层2的剖面面积为电线整体的剖面面积的10%的高频电线的绕组(以下称为“10%CCA绕组”)、将铝合金(JIS6063合金)用作中心导体1且覆盖层2的剖面面积为电线整体的剖面面积的5%的高频电线的绕组(以下称为“合金铝5%CCA绕组”)的电抗器。
图22及图23表示本发明的实施例3的15%CCA绕组、10%CCA绕组、5%CCA绕组、合金铝5%CCA绕组与比较例的铜绕组及铝绕组各自的交流电阻-频率特性。从图22及图23可知，在15%CCA绕组、10%CCA绕组、5%CCA绕组中，与铜绕组相比，交流电阻大幅减小。此外，在合金铝5%CCA绕组中，与铜绕组及铝绕组相比，交流电阻大幅减小。
此外，从15%CCA绕组、10%CCA绕组、5%CCA绕组的特性值可知，图1所示的覆盖层2的剖面面积比越小，交流电阻越小。判明为这是在抑制了涡电流的效果的基础上，由于生成了金属间化合物层3，等效地成为减小了覆盖层2的厚度的线径，由此减小了邻近效应。众所周知，理论上邻近效应与线径的4次幂成比例。
(其他实施方式)
本发明被记载为上述实施方式，该公开内容的一部分的说明及附图不应理解为限定本发明。本领域技术人员根据所公开的内容能够想到各种代替实施方式、实施例及运用技术。
作为本发明的实施方式的高频电线，说明了金属线(单线)，但也可以用作将多根该金属线集束而成的束线、将多根该金属线绞合而成的利兹线，在束线及利兹线的情况下，也能够更有效地抑制交流电阻。
此外，本发明的实施方式的高频电线能够适用于高频变压器、马达、电抗器、扼流圈、感应加热装置、磁头、高频供电电缆、DC电源单元、开关电源、AC适配器、涡电流检测方式等位移传感器/探伤传感器、IH电磁炉、线圈或供电电缆等非接触供电装置或高频电流产生装置等各种装置。
另外，将本发明的实施方式的高频电线用作线圈的情况、用作利兹线的情况等，使高频电线变形时，为了维持加工组织(长度方向的纤维状组织)，不进行热处理而进行变形。此外，为了提高灵活性，也可以在再结晶温度以上的温度下进行热处理。但是，此时加工组织消失。此外，为了进一步提高中心导体1及覆盖层2各自的电阻值，也可以在比再结晶温度低的温度下进行热处理。在进行热处理的情况下，可以一边进行热处理一边使高频电线变形，也可以在使高频电线变形之后进行热处理。此外，热处理可以对高频电线整体进行，也可以对局部进行。
这样，本发明当然包括没有记载于此的各种实施方式等。因此，本发明的技术范围仅由从上述说明得到的适当的权利要求书的范围所涉及的发明特定事项确定。
工业上的可利用性
本发明的高频电线及高频线圈能够用于包括高频变压器、马达、电抗器、扼流圈、感应加热装置、磁头、高频供电电缆、DC电源单元、开关电源、AC适配器、涡电流检测方式等位移传感器/探伤传感器、IH电磁炉、线圈或供电电缆等非接触供电装置或高频电流产生装置等各种装置的制造业的电子设备产业。

Claims (6)

1.一种高频电线，其特征在于，
包括：中心导体，由铝或铝合金构成；
覆盖层，由覆盖上述中心导体的铜构成，在长度方向上具有纤维状组织；以及
金属间化合物层，形成在上述中心导体与上述覆盖层之间，体积电阻率大于上述覆盖层的体积电阻率，
上述覆盖层的剖面面积相对于上述中心导体、上述金属间化合物层及上述覆盖层相加的整体的剖面面积为15%以下。
2.根据权利要求1所述的高频电线，其特征在于，
上述金属间化合物形成为组分从上述中心导体到上述覆盖层倾斜地变化。
3.根据权利要求1或2所述的高频电线，其特征在于，
上述金属间化合物层是使用减面率分别为20%以上的多级的模具对覆盖有上述覆盖层的上述中心导体进行拉丝而形成的。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的高频电线，其特征在于，
上述金属间化合物层的厚度为10nm~1μm。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的高频电线，其特征在于，
上述金属间化合物层的体积电阻率为10μΩ-cm以上。
6.一种高频线圈，使用高频电线，其特征在于，
上述高频电线包括：
中心导体，由铝或铝合金构成；
覆盖层，由覆盖上述中心导体的铜构成，在长度方向上具有纤维状组织；以及
金属间化合物层，形成在上述中心导体与上述覆盖层之间，体积电阻率大于上述覆盖层的体积电阻率，
上述覆盖层的剖面面积相对于上述中心导体、上述金属间化合物层及上述覆盖层相加的整体的剖面面积为15%以下。
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