CN105580088B

CN105580088B - 高频电线及高频线圈

Info

Publication number: CN105580088B
Application number: CN201480052556.3A
Authority: CN
Inventors: 三重野慧; 上泷千寻; 堀泰伸
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: EP3051539B1; US10026526B2; JP5957428B2; US20160233009A1; JP2015065081A; KR101768546B1; WO2015046153A1; EP3051539A4; EP3051539A1; KR20160045144A; CN105580088A

Abstract

本发明的高频电线具备：中心导体，由铝或铝合金构成；磁性层，具有沿上述中心导体的长边方向的纤维状组织且被覆上述中心导体。

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、缆线等中使用的高频电线及高频线圈。

本申请基于在2013年9月25日在日本申请的特愿2013-198987号主张优先权，并在此援引其内容。

背景技术

在使高频电流通电的设备(变压器、马达、电抗器、感应加热装置及磁头装置等)的绕组及供缆线线中，由于高频电流所产生的磁场在导体内产生涡电流损耗。而且，作为其结果，交流电阻(高频电阻)增大，引起发热和耗电增大。

作为交流电阻增大的重要因素，有邻近效应和趋肤效应。

如图17A和17B所示，邻近效应是利用外部磁束54产生涡流53的同时电流密度J在导体51内偏移的现象。

如图18A和18B所示，趋肤效应是导体电流52在导体51流动时，电流密度J在导体51表面变高的现象，通过内部磁束55产生涡流53的同时，因限制电流流动的区域而交流电阻增大。

作为抑制邻近效应和趋肤效应的对策，通常使电线细径化和采用将各金属线绝缘被覆而成的利兹线(例如，参照专利文献1、2)。

将利兹线的金属线的例子在图19和图20中示出(参照专利文献3)。

在图19所示的绝缘被覆铜线30中，在铜线31的表面形成绝缘被覆32。在图20所示的绝缘被覆铜线40中，在铜线41的表面形成磁性材镀覆层42和绝缘被覆43。

如图21所示，绝缘被覆铜线40中，如果外加外部磁场44，则磁场44向磁性材镀覆层42偏颇分布，磁场44对铜线41的影响减少。因此，与没有磁性材镀覆层的绝缘被覆铜线30(参照图19)相比，可抑制铜线的邻近效应。

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2005-108654号公报

专利文献3：日本特开2009-277396号公报

发明内容

然而，在绝缘被覆铜线40中，即使铜线41的邻近效应得以抑制，在磁性材镀覆层42也产生涡流，有时产生因该涡流所致的邻近效应损耗。因此，迫切期望邻近效应的进一步减少。

本发明鉴于上述情况而进行，其目的在于提供一种可进一步减少邻近效应的高频电线及高频线圈。

为了解决上述课题，本发明的第1方式的高频电线具备：中心导体，由铝或铝合金构成；磁性层，具有沿上述中心导体的长边方向的纤维状组织且被覆上述中心导体。

上述磁性层优选由铁或铁合金构成。

上述磁性层的体积电阻率优选比上述中心导体的体积电阻率更高。

在磁性层的外表面侧优选具有绝缘被覆层。

本发明的第2方式的利兹线具备多根捻合的上述高频电线。

本发明的第3方式的高频线圈具备上述高频电线。

本发明的第4方式的高频电线的制造方法是通过使用1或多个模对具备由铝或铝合金构成的中心导体和被覆上述中心导体的磁性层的电线母材进行拉丝，从而得到上述磁性层具有上述纤维状组织的高频电线。

对上述电线母材进行拉丝时的累积减面率优选为70％以上。

根据本发明的上述方式，磁性层具有沿中心导体的长边方向的纤维状组织，因此，磁性层的电阻率增高。因此，可抑制涡流并减少邻近效应。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的高频电线的截面图。

图2是表示拉丝模的一个例子的示意图。

图3是表示累积减面率与电阻率的关系的图。

图4是表示具有绝缘被覆层的高频电线的截面图。

图5A是实施例的软磁性层的扫描式电子显微镜(SEM)照片。

图5B是将图5A放大的SEM照片。

图6A是比较例的软磁性层的扫描式电子显微镜(SEM)照片。

图6B是将图6A放大的SEM照片。

图7A是说明长宽比的计算方法的图。

图7B是说明长宽比的计算方法的图。

图7C是说明长宽比的计算方法的图。

图8是实施例的高频电线的软磁性层的扫描式电子显微镜(SEM)照片。

图9是实施例的高频电线的软磁性层的扫描式电子显微镜(SEM)照片。

图10是比较例的高频电线的软磁性层的光学显微镜照片。

图11是比较例的高频电线的软磁性层的扫描式电子显微镜(SEM)照片。

图12是表示利兹线的例子的立体图。

图13是表示高频线圈的例子的立体图。

图14是表示高频线圈的例子的立体图。

图15是表示线圈的例子的外观图。

图16是表示交流频率与交流电阻的关系的模拟结果的图。

图17A是用于说明邻近效应的示意图。

图17B是用于说明邻近效应的示意图。

图18A是用于说明趋肤效应的示意图。

图18B是用于说明趋肤效应的示意图。

图19是表示以往的高频电线的一个例子的截面图。

图20是表示以往的高频电线的另一例子的截面图。

图21是表示磁场相对于前图的高频电线的分布的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

(高频电线)

图1表示本发明的一实施方式的高频电线10。高频电线10具备由铝(Al)或铝合金构成的中心导体1和被覆中心导体1的软磁性层2(磁性层)。

作为中心导体1，例如可使用电气用铝(EC铝)、Al-Mg-Si系合金(JIS6000系列)等。

通常铝合金的体积电阻率比EC铝大，因而优选。

软磁性层2可使用铁、铁合金、镍及镍合金等。

作为铁合金，可举出FeSi系合金(FeSiAl、FeSiAlCr等)、FeAl系合金(FeAl、FeAlSi、FeAlSiCr、FeAlO等)、FeCo系合金(FeCo、FeCoB、FeCoV等)、FeNi系合金(FeNi、FeNiMo、FeNiCr、FeNiSi等)(Permalloy(注册商标)等)、FeTa系合金(FeTa、FeTaC、FeTaN等)、FeMg系合金(FeMgO等)、FeZr系合金(FeZrNb、FeZrN等)、FeC系合金、FeN系合金、FeP系合金、FeNb系合金、FeHf系合金及FeB系合金等。

软磁性层2通过抑制磁场向中心导体1的侵入而抑制涡流(参照图21)。

软磁性层2的比透磁率例如可设为10以上(例如10～500)。

软磁性层2的厚度例如可设为1μm～1000μm。

应予说明，本申请发明中的磁性层并不限定于显示“软磁性”的层。

软磁性层2的截面积相对于组合了中心导体1和软磁性层2的高频电线10全体的截面积，优选为20％以下。

上述截面积比率(软磁性层2相对于高频电线10全体的截面积比率)优选为3％～15％，更优选为3％～10％，进一步优选为3％～5％。通过将软磁性层2的相对于高频电线全体的截面积之比设定在该范围，从而可减少高频电阻。

高频电线10全体的直径例如可设为0.05mm～0.6mm。

软磁性层2具有沿中心导体1的长边方向的纤维状组织。

这里所说的是否“具有纤维状组织”，是利用电子显微镜等观察软磁性层2的组织时，可确认多个长宽比超过“5/1”的粒状体(例如晶粒)为基准进行判断的。

关于长宽比的测定，边参照图7A～图11边进行说明。

关于图7A所示的晶粒C1，如图7B所示，画出成为最长径的辅助线11，接着，如图7C所示，画出由与辅助线11平行的一对长边12和与辅助线11垂直的一对短边13构成的长方形14。

另一长边12(12a)在从辅助线11向一侧(图7C的上方)距离最远的位置上与晶粒C1的轮郭线15相接，另一长边12(12b)在从辅助线11向另一侧(图7C的下方)距离最远的位置上与晶粒C1的轮郭线15相接。

一侧的短边13(13a)在辅助线11向一侧(图7C的左方)距离最远的位置上与晶粒C1的轮郭线15相接，另一侧的短边13(13b)在辅助线11向另一侧(图7C的右方)距离最远的位置上与晶粒C1的轮郭线15相接。

将该长方形14的长边12和短边13的长度之比(L1/L2)设为长宽比。应予说明，图7C中的晶粒C1的长宽比为8.32/1。

图8和图9表示高频电线10的由铁构成的软磁性层2的扫描式电子显微镜(SEM)照片。

图8中，关于2个晶粒(例1、2)，用上述方法画出了长方形(参照图7C的长方形14)。例1、2的长宽比分别为“6.1/1”和“9.0/1”。

图9中，关于2个晶粒(例3、4)，用上述方法画出长方形，例3、4的长宽比分别为“13.3/1”和“21.2/1”。

例1～4的晶粒均沿着高频电线10的长边方向形成。

在图8和图9中，可确认有多个长宽比超过“5/1”的铁晶粒。因此，软磁性层2可判断为具有沿高频电线10的长边方向的纤维状组织。

应予说明，在判断软磁性层2是否具有纤维状组织时，优选对象显微镜照片的视野内能够确认的粒状体的数量为规定数量(例如100)以下。

如后所述，软磁性层2的组织优选为利用使用了拉丝模的拉丝加工而形成的加工组织。加工组织是指在实施例如冷加工后的组织。

冷加工是指在再结晶温度以下进行的加工。

纤维状组织可以是通过拉丝加工使晶粒在拉丝方向拉伸而成的组织。

为了比较，图10中示出了再结晶温度以上进行热处理(退火处理)的经再结晶化的高频电线的、由铁构成的软磁性层的光学显微镜照片。另外，图11中示出了在由铁构成的软磁性层上利用镀覆法形成的镍层的扫描式电子显微镜(SEM)照片。

这些高频电线具备由铁构成的软磁性层(参照图1)，软磁性层具有在再结晶温度以上进行热处理的经再结晶化而成的再结晶组织、镀覆组织。

再结晶组织是指例如通过冷加工产生形变的晶粒通过再结晶置换为无形变的结晶的组织。

镀覆组织是指通过湿式的镀覆形成的金属的组织。镀覆组织也可以为非晶质。

图10中，没有观察到长宽比大于“5/1”的晶粒。测定晶粒(例5)长宽比的结果为“1.5/1”。

图11中也未观察到长宽比大于“5/1”的晶粒。

图10和图11中，由于无法确认长宽比超过“5/1”的晶粒，因此，图10和图11的软磁性层可以说不具有纤维状组织。

软磁性层2的体积电阻率优选比中心导体1的体积电阻率更高。由此，可抑制因涡电流损耗所致的交流电阻的上升。

沿长边方向的纤维状组织不仅形成于软磁性层2，还可以形成于中心导体1。

应予说明，在高频电线10中，可以在中心导体1和软磁性层2之间形成其组成从中心导体1至软磁性层2呈梯度变化的金属间化合物层(省略图示)。金属间化合物层，例如由含有中心导体1的构成材料和软磁性层2的构成材料的合金构成。金属间化合物层的体积电阻率可以比软磁性层2的体积电阻率大。

图4是高频电线10的变形例，在此示出的高频电线10A在软磁性层2的外表面侧设置绝缘被覆层3。绝缘被覆层3为高频电线10A的最外层。

绝缘被覆层3可通过涂布聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯酰亚胺、或者聚酰胺酰亚胺等的搪瓷涂料而形成。

(利兹线)

图12是具备图4所示的高频电线10A的利兹线的例子，在此示出的利兹线60通过捆扎多根高频电线10A之后捻合而构成。

(高频线圈)

图13和图14为具备图4所示的高频电线10A的高频线圈的例子，在此示出的高频线圈70可使用具有躯体部71和形成于其两端的凸缘部72的支承体73。

高频电线10A卷绕于躯体部71。

(高频电线的制造方法)

＜母材的制作工序＞

接下来，对高频电线10的制造方法的一个例子进行说明。应予说明，以下所示的制造方法为一个例子，不限定本发明的范围。本发明的实施方式的高频电线还可通过在此例示的方法以外的制造方法制造。

准备由铝或铝合金构成的中心导体。通过将该中心导体插入管状的软磁性层体等，可得到具有中心导体和包围该中心导体的软磁性层体的电线母材。

应予说明，电线母材的制作中使用的软磁性层体也可以为除管体以外的形态。

＜拉丝工序＞

接下来，将电线母材通过1个或多个拉丝模进行拉丝。

图2示出了可适用于本实施方式的制造方法的拉丝模20。拉丝模20具备入口部21、工作部22、缩小部23、定径部24及出口锥部25。

拉丝模20是从入口部21经过缩小部23内径缓缓变小的筒状体。

缩小部23内表面的相对于中心轴的倾斜角度即缩小角度α1例如可以设为8°左右。

根据电线母材的截面积和定径部24的内部空间的截面积算出的减面率(电线母材的拉丝前后的截面积差/电线母材的拉丝前的截面积)设为20％以上，例如可以设为20～29％。如果1度的拉丝的减面率为该范围，则能够持续产生同一方向的剪应力。

电线母材4经由入口部21、工作部22被导入缩小部23，在缩小部23被加工成小于拉丝前的直径d1的直径d2。

该拉丝工序可以仅为1次，也可以使用内径尺寸不同的其他拉丝模20多次进行拉丝工序。由此，能够提高减面率。例如，可以使用多个拉丝模20多级进行拉丝。

累积减面率可以设为例如70％以上。

由此，可靠且容易地形成具有沿中心导体1的长边方向的纤维状组织的软磁性层2。

在使用了拉丝模20的拉丝工序中，不仅是软磁性层2，也可以在中心导体1形成纤维状组织。

高频电线10的软磁性层2具有沿中心导体1的长边方向的纤维状组织，磁性层中的晶界多且位错密度高。因此，软磁性层2中的电阻率变高。因此，可抑制由外部磁场产生的涡流，并减少邻近效应。

图3是表示累积减面率与软磁性层2的电阻率的关系的图。如该图所示，如果累积减面率变高而在软磁性层2形成纤维状组织，则电阻率增加。

如果电阻率增加，则难以产生涡流，因此，认为邻近效应减少。

另外，在以下文献中报告了磁性层的电阻率越高，可抑制因涡电流损耗所致的交流电阻的上升。

COMPEL-THEINTERNATIONALJOURNALFORCOMPUTATIONANDMATHEMATICSINELECTRICALANDELECTRONICENGINEERING.28(1)：57-66(2009)，Mizunoet.al.，

另外，在高频率使用的线圈中，中心导体使用铜等的情况下，邻近效应所致的交流损失变大。另一方面，在本实施方式的高频电线10中，中心导体1可使用铝(或铝合金)，因此，与中心导体1使用铜等的情况相比，可抑制邻近效应的影响。

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在通电数kHz～数100kHz程度的高频电流的设备中使用的高频电线中，以减少交流损失为目的，使绕组细径化或采用利兹线。

但是，在用于连接的焊接处理中，由于绝缘皮膜的去除作业困难、拉丝受限等理由，细径化是有限度的。

对此，根据本实施方式的高频电线10，即使采用金属线径粗且金属线数少的利兹线，也能够实现损失的减少。

(实施例1)

如下制作图1所示的高频电线10。

将外径9mm的由铝构成的中心导体插入内径10mm、外径12mm的钢管(软磁性层体)，得到电线母材4。

如图2所示，将电线母材4通过多个拉丝模20进行多级拉丝，得到具有外径为2.1mm的软磁性层2和外径为1.9mm的中心导体1的高频电线10。

图5A是软磁性层2的SEM照片，图5B是将图5A放大的SEM照片。

根据该图，已经确认了多个长宽比超过“5/1”的晶粒，因此，可确认软磁性层2具有沿中心导体1的长边方向的纤维状组织。

关于该高频电线10的中心导体1及软磁性层2，如下算出固有电阻。

将与高频电线10的软磁性层2相同的材料的单体的中心导体通过拉丝工序进行减面，并测定固有电阻。将该值作为软磁性层2的固有电阻在表1中示出。

接着，测定(属于复合材料的)高频电线10的固有电阻，从该值中减去上述软磁性层2的固有电阻得到的值作为中心导体1的固有电阻在表1中示出。

(比较例1)

制作具有由铝构成的中心导体和由铁构成的软磁性层的高频电线，在软磁性层的再结晶温度以上的温度进行热处理。

在软磁性层上无法确认沿长边方向的纤维状组织。

利用与实施例1同样的方法，测定中心导体和软磁性层的固有电阻。将结果示于表1。

表1

由表1可知，与比较例1相比，在实施例1中，能够提高软磁性层2的固有电阻。

(实施例2)

将与实施例1同样得到的电线母材4通过多个拉丝模20之后进行多级拉丝，得到高频电线10。通过在高频电线10的外表面形成绝缘被覆层3，得到图4所示的高频电线10A。软磁性层2的厚度为3μm，软磁性层2的外径为126μm，中心导体1的外径为120μm。

如图12所示，制作使用高频电线10A作为金属线的利兹线60。

构成利兹线60的高频电线10A的数量为1500根，利兹线60的线长为21m。

如图15所示，使用利兹线60制作线圈80。线圈80的匝数为16。电感为1.18×10^-4H。

构成线圈的导线的每单位长度的交流电阻可例如如下式表示(参照国际公开公报2013/042671的第[0041]落和第[0070]落)。

R_ac＝R_s+R_p

R_s(Ω/m)是基于趋肤效应的每单位长度的高频电阻，R_p(Ω/m)是基于邻近效应的每单位长度的高频电阻。另外，R_p是表示与外部磁场的强度的形状因素α(1/m)的平方成比例的值。

R_p＝α²Dp

D_p(Ω·m)是表示基于邻近效应的单位长度当中的高频损失。

该例的线圈80中的形状因素α为90mm^-1。

关于实施例2的线圈80，将交流频率(横轴)与交流电阻(纵轴)的关系通过模拟进行调查的结果示于图16。

(比较例2)

代替高频电线10，使用Cu线(外径120μm)，除此以外，与实施例2同样地制作图12所示的利兹线60，使用该利兹线60，制作图15所示的线圈80。其他方式与实施例2同样。

关于比较例2的线圈80，将交流频率与交流电阻的关系通过模拟进行调查的结果示于图16。

(比较例3)

代替高频电线10，使用Al线(外径120μm)，除此以外，与实施例2同样地制作图12所示的利兹线60，使用该利兹线60，制作图15所示的线圈80。其他方式与实施例2同样。

关于比较例3的线圈80，将交流频率与交流电阻的关系通过模拟进行调查的结果示于图16。

如图16所示，在使用具备由Al构成的中心导体1和含有Fe的软磁性层2的高频电线10的实施例2中，与使用Cu线或Al线的比较例2、3相比，在70kHz以上的频率带，能够得到交流电阻变低的结果。

上述的实施方式是用于例示将本发明的技术的思想具体化的装置、方法的实施方式，本发明的技术的思想不限定构成部件的材质、形状、构造、配置等。

产业上的可利用性

本发明的高频电线及高频线圈可利用于包括高频变压器、马达、电抗器、扼流线圈、感应加热装置、磁头、高频供电缆线、DC电源单元、开关电源、AC适配器、涡流检测方式等位移传感器·探伤传感器、IH电磁炉、线圈及供电缆线等的非接触供电装置或者高频电流产生装置等各种装置的制造业的电子设备产业。

符号说明

1…中心导体，2…软磁性层(磁性层)，10…高频电线，60…利兹线，70…高频线圈。

Claims

1.一种高频电线，具备：

中心导体，由铝或铝合金构成；

磁性层，由铁或铁合金构成，并且，具有沿所述中心导体的长边方向的纤维状组织且被覆所述中心导体，

其中，所述纤维状组织是长宽比超过“5/1”的晶粒。

2.根据权利要求1所述的高频电线，其中，相对于高频电线全体的截面积的所述磁性层的截面积比率为20％以下。

3.根据权利要求1或2所述的高频电线，其中，所述中心导体具有沿所述中心导体的长边方向的纤维状组织。

4.根据权利要求1或2所述的高频电线，其中，在所述磁性层的外表面侧具有绝缘被覆层。

5.一种利兹线，具备多根捻合的权利要求1或2所述的高频电线。

6.一种高频线圈，具备权利要求1或2所述的高频电线。

7.一种高频电线的制造方法，是权利要求1所述的高频电线的制造方法，使用1个或多个模对具备由铝或铝合金构成的中心导体和由铁或铁合金构成且被覆所述中心导体的磁性层的电线母材进行拉丝，从而得到所述磁性层具有所述纤维状组织的高频电线。

8.根据权利要求7所述的高频电线的制造方法，其中，所述电线母材是在由所述磁性层构成的钢管插通所述中心导体而成的。

9.根据权利要求7或8所述的高频电线的制造方法，其中，所述纤维状组织是通过将所述母材在所述磁性层的再结晶温度以下进行拉丝而形成的。

10.根据权利要求7或8所述的高频电线的制造方法，其中，对所述电线母材进行拉丝时的累积减面率为70％以上。