CN105793932A - 高频用电线以及线圈 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高频用电线以及线圈。高频用电线具有导体部，该导体部具备由导电率比铜低的材料形成的内层、和包覆上述内层并且由铜形成的外层。在上述高频用电线被使用的交流电流的频率范围中，当将具备由纯铜构成的导体部的铜线中的表皮厚度δ[m]规定为 的情况下，上述外层的厚度t[m]满足1.1δ＜t＜2.7δ。这里，ω是由2πf表示的电流的角频率，μ是铜线的磁导率[H/m]，σ是铜线的导电率[Ω^－1m^－1]，f是频率[Hz]。

Description

高频用电线以及线圈

技术领域

本发明涉及高频用电线以及线圈，例如涉及各种高频设备的绕组、线缆等所利用的高频用电线以及线圈。

本申请基于2013年12月2日在日本提出的日本特愿2013－249685号主张优先权，并在此引用其内容。

背景技术

在流通交流电流的设备的绕组、线缆中，由于通过该交流电流产生的磁场而在导体内产生涡流。由此，交流电阻由于表皮效应、接近效应而增大，有时会产生发热、消耗电力的增大。

作为抑制表皮效应以及接近效应的对策，有素线的细径化、以及采用将各素线绝缘包覆的绞合线等(参照专利文献1～3)。

但是，即使采用绞合线，通过素线的细径化抑制表皮效应以及接近效应也有极限。另外，无法解决在高频中容易产生因接近效应引起的电阻增大这一问题。

作为着眼于素线的构造的接近效应、表皮效应的减少对策，例如可举出利用电流由于表皮效应而集中于铜线的表面的情况，在铜线表面包覆电传导度比铜高的银。通过银包覆实现了电阻的降低的线材或利用该线材的线缆已被出售。然而，该减少对策存在成本升高这一缺点。

作为能够比铜降低交流电阻的方案，在专利文献5中提出一种使用了由电传导度比铜低的材料构成的素线的线圈。然而，虽然该线圈能够降低接近效应，但因为电阻增大，所以应用仅限于接近效应大的情况。

另外，在专利文献4、非专利文献1以及非专利文献2中提出了如下的构造：通过对铜线包覆形成磁性层来抑制磁场向铜线内部的进入来降低接近效应。然而，在该构造中，由于电流集中在磁性层，所以存在在高频中表皮效应增大这一问题。

专利文献6中公开了一种铜包覆铝线。但是，在铜包覆铝线中，与相同的线径的铜线相比较，难以降低交流电阻。

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：国际公开第2006/046358号

专利文献5：国际公开第2012/023378号

专利文献6：日本特开2003－147583号公报

非专利文献1：水野勉等7名，「磁性めっき線を用いた導線内に生ずる渦電流損の低減」，电气学会论文杂质A，2007年，第127卷，第10号，p.611-620

非专利文献2：水野勉等7名，「磁性めっき線を用いた導線内に生ずる渦電流損の低減(Reductionofeddycurrentlossinmagnetoplatedwire)」；TheinternationalJournalcomputationandmathematicsinelectricalandelectronicengineering，2009年，第28卷，第1号，p.57-66

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供能够以低成本抑制表皮效应以及接近效应而降低交流电阻的高频用电线以及线圈。

本发明人着眼于因表皮效应以及接近效应引起的交流电阻Rac小于铜线的交流电阻Rac的频率区域的下限值和上限值能够与成为基准的铜线中的表皮厚度δ相关联地规定，完成了本发明。即，本发明具有以下的构成。

本发明的第一方式所涉及的高频用电线具有导体部，该导体部具备由导电率比铜低的材料形成的内层、和包覆上述内层并且由铜形成的外层，在上述高频用电线被使用的交流电流的频率范围中，当将具备由纯铜构成的导体部的铜线中的表皮厚度δ[m]规定为的情况下，上述外层的厚度t[m]满足1.1δ＜t＜2.7δ。这里，ω是由2πf表示的电流的角频率，μ是铜线的磁导率[H/m]，σ是铜线的导电率[Ω^－1m^－1]，f是频率[Hz]。

上述外层的厚度t也可以满足1.3δ＜t＜2.7δ。

上述外层的厚度t也可以满足2.0δ＜t＜2.7δ。

也可以在上述导体部的外周面设置有绝缘包覆层。

本发明的第二方式所涉及的高频用线圈具备上述第一方式所涉及的高频用电线。

本发明的第三方式所涉及的绞合线具备由多股搓成的上述第一方式所涉及的高频用电线。

本发明的第四方式所涉及的线缆具备实施了绝缘包覆的上述第三方式所涉及的绞合线。

本发明的第五方式所涉及的线圈具备上述第三方式所涉及的绞合线或者上述第四方式所涉及的线缆。

根据本发明的上述方式，由于外层的厚度处于规定范围内，所以交流电阻比铜线的交流电阻低。因此，能够提高线圈的Q值。

附图说明

图1是表示与电阻有关的计算例的图。

图2是表示与接近效应有关的计算例的图。

图3是表示与内部电感有关的计算例的图。

图4是表示与电阻有关的计算例的图。

图5是表示与接近效应有关的计算例的图。

图6是表示与内部电感有关的计算例的图。

图7A是表示与电阻、接近效应、内部电感有关的计算例的图。

图7B是表示与电阻、接近效应、内部电感有关的计算例的图。

图7C是表示与电阻、接近效应、内部电感有关的计算例的图。

图8A是表示与电流密度分布有关的计算例的图。

图8B是表示与电流密度分布有关的计算例的图。

图8C是表示与电流密度分布有关的计算例的图。

图9A是表示与涡流密度分布有关的计算例的图。

图9B是表示与涡流密度分布有关的计算例的图。

图9C是表示与涡流密度分布有关的计算例的图。

图10A是表示与电阻比铜线降低的频率区域有关的计算例的图。

图10B是表示与电阻比铜线降低的频率区域有关的计算例的图。

图10C是表示与电阻比铜线降低的频率区域有关的计算例的图。

图11A是表示与电阻以及接近效应比铜线降低的频率区域有关的计算例的图。

图11B是表示与电阻以及接近效应比铜线降低的频率区域有关的计算例的图。

图11C是表示与电阻以及接近效应比铜线降低的频率区域有关的计算例的图。

图12A是表示与电阻以及接近效应比铜线降低、并且内部电感比铜线变大的频率区域有关的计算例的图。

图12B是表示与电阻以及接近效应比铜线降低、并且内部电感比铜线变大的频率区域有关的计算例的图。

图12C是表示与电阻以及接近效应比铜线降低、并且内部电感比铜线变大的频率区域有关的计算例的图。

图13是表示解析结果的图。

图14是表示解析结果的图。

图15是表示解析结果的图。

图16A是表示高频用电线的解析模型的示意图。

图16B是表示高频用电线的解析模型的示意图。

图17是表示本发明的一个实施方式所涉及的高频用电线的剖视图。

图18是表示具有绝缘包覆层的高频用电线的剖视图。

图19是表示绞合线的例子的立体图。

图20是表示高频用线圈的例子的立体图。

图21是表示高频用线圈的例子的立体图。

图22是表示试验结果的图。

图23是表示试验结果的图。

具体实施方式

＜电线的构造＞

图17是表示本发明的一个实施方式所涉及的高频用电线10(以下，称为电线10)的剖视图。

这里所示的电线10是在特定的频带中使用的电线，具有由二层构造导体构成的导体部11，该导体部11具备内层1和包覆内层1的外周面而形成的外层2。

内层1由导电率比铜低的材料(体积电阻率比铜高的材料)形成。作为内层1的材料，能够使用导电率比铜低的金属。内层1的材料也可以是绝缘体。内层1的材料既可以是磁性材料，也可以是非磁性材料。内层1的剖面形状也可以是圆形。

其中，在本实施方式中，剖面是指与导体部11的轴向垂直的面。

作为内层1的材料，具体例如优选是含铝材料、含铁材料、含镍材料等。

优选内层1由均匀材料构成。虽然内层1也可以是由多个材料构成的复合材料，但在该情况下，导电率(也称为电传导率、电传导度)能够基于上述多个材料的截面积比求出。

作为含铝材料，能够使用铝(Al)、铝合金。例如，能够使用电气用铝(EC铝)、Al－Mg－Si系合金(JIS6000号段)等。

将内层由铝线构成且外层由铜构成的二层构造导体称为铜覆铝线。

作为含铁材料，能够使用铁(Fe)、铁合金。作为铁合金，可举出例如包括碳、硅、镍、钨、以及铬中的1个或者2个以上的材料。例如，能够优选使用钢线(steel线)、不锈钢钢线等作为内层1。

将内层由钢线构成且外层由铜构成的二层构造导体称为铜覆钢线。

作为含镍材料，能够使用镍、镍合金等。

作为镍合金，有镍铬合金。该情况下，例如能够使用镍铬合金线作为内层10。

将内层由镍铬合金线构成且外层由铜构成的二层构造导体称为铜覆镍铬合金线。

内层1并不局限于例示的材料，也可以是镁、钨、钛、铁等纯金属，还可以是黄铜、磷青铜、硅青铜、铜铍合金、以及铜镍硅合金等铜合金。另外，也可以是橡胶、塑料等绝缘体。

外层2由铜形成，优选其截面积相对于将内层1和外层2合在一起的整个导体部11的截面积是50％以下。上述截面积比率(外层2相对于整个导体部11的截面积的截面积比率)例如能够为5％～50％。通过将外层2的截面积比率设为该范围，有助于降低交流电阻。

外层2也可以是恒定厚度。

整个电线10的直径(导体部11的直径)例如能够设为0.05mm～3.2mm。

其中，在本实施方式的高频用电线中，除了内层、外层以外，还在外层的外周侧形成有1个或者2个以上树脂或瓷漆等绝缘层。

接下来，为了进行表皮效应的说明，而进行对二层构造导体接通交流电流的情况下的消耗电力的解析。

如图16A所示，将剖面是圆形、各层由相互不同的材料构成、沿z轴方向均匀地延伸的二层构造导体模型化。将从内侧起第i层的层外径、导电率、相对磁导率分别设为2r_i、σ_i、μ_i，将时间因素设为e^jωt。μ₀表示真空中的磁导率。i是自然数。另外，j是虚数单位，ω是在将f设为频率的情况下由ω＝2πf规定的角频率。

如图16B所示，在振幅l的电流沿该导线的z轴方向流动时，电场的z分量E_z满足下述波动方程式。

[数1]

$\frac{{\∂}^2{E}_z}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂E_z}{\∂r}-{\mathrm{j\ω\μ}}_i{\mathrm{\σ}}_i{E}_z=0---\left(1\right)$

由于公式(1)是0次的贝塞尔方程式，所以具有以下的解。

[数2]

$E_z=\{\begin{array}{cc}{A}_1{J}_0\left(k_{1}r\right)& (r\&le;r_1)\\ A_2{J}_0\left(k_{2}r\right)+B_2{Y}_0\left(k_{2}r\right)& (r_1<r\&le;r_2)\end{array}---\left(2\right)$

k_i ²由如下的公式表示。

k_i ²＝－jωμ₀μ_iσ_i

另外，J_n、Y_n分别是n次的贝塞尔函数和诺埃曼函数，A_i、B_i是由如下的边界条件决定的常量。

[数3]

E_z|_r＝ri-＝E_z|_r＝ri+

$\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_i}\frac{\&part;E_z}{\&part;r}{|}_{r=ri-}=\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_{i+1}}\frac{\&part;E_z}{\&part;r}{|}_{r=ri+}$

根据Maxwell方程式，磁场由以下的公式表示。磁场H_θ表示θ方向分量。

[数4]

$H_{\mathrm{\&theta;}}=\left\{\begin{array}{cc}-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_1}{k_1}{A}_1{J}_0\left(k_{1}r\right)& (r\&le;r_1)\\ -\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_2}{k_2}\&lsqb;A_2{J}_0\left(k_{2}r\right)+B_2{Y}_0\left(k_{2}r\right)\&rsqb;& (r_1<r\&le;r_2)\end{array}\right.---\left(3\right)$

由于长度为l的该导线的消耗电力的时间平均与以导线的表面S对从导线的表面流入的坡印亭矢量进行了积分而得到的值相等，所以如以下那样表示。

[数5]

(时间平均、L_i：导体的单位长度的内部电感)

ζ由ζ＝k₂r₂表示。

对单位长度的二层构造导体接通交流电流时的电阻R_s以及内部电感L_i由如下的公式表示。

其中，优选上述交流电流的频率是被规定(设定)为该电线(产品)所使用的范围的、特定的频率区域内的频率。

[数6]

$\begin{array}{c}{R}_s=\mathrm{Re}\&lsqb;\frac{{\mathrm{j\&omega;\&mu;}}_2{\mathrm{\&mu;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&xi;}}\frac{A_2{J}_0\left(\mathrm{\&xi;}\right)+B_2{Y}_0\left(\mathrm{\&xi;}\right)}{A_2{J}_0^{\&prime;}\left(\mathrm{\&xi;}\right)+B_2{Y}_0^{\&prime;}\left(\mathrm{\&xi;}\right)}\&rsqb;\\ L_i=\mathrm{Im}\&lsqb;\frac{{\mathrm{j\&mu;}}_2{\mathrm{\&mu;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&xi;}}\frac{A_2{J}_0\left(\mathrm{\&xi;}\right)+B_2{Y}_0\left(\mathrm{\&xi;}\right)}{A_2{J}_0^{\&prime;}\left(\mathrm{\&xi;}\right)+B_2{Y}_0^{\&prime;}\left(\mathrm{\&xi;}\right)}\&rsqb;\end{array}---\left(5\right)$

另外，在σ₁＝σ₂并且μ₁＝μ₂时，A₂＝1、B₂＝0，公式(5)的R_s由以下的公式表示。

[数7]

$R_s=\mathrm{Re}\&lsqb;\frac{{\mathrm{j\&omega;\&mu;}}_2{\mathrm{\&mu;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&xi;}}\frac{J_0\left(\mathrm{\&xi;}\right)}{J_0^{\&prime;}\left(\mathrm{\&xi;}\right)}\&rsqb;---\left(6\right)$

在各层是磁性体，由磁滞环等表示磁损失的情况下，能够通过将虚数部导入磁导率来表示损失。例如，如下的公式成立。

[数8]

μ₁＝μ_1r+μ_1i(7)

接下来，为了对接近效应进行说明，而进行从外部向二层构造导体施加了均匀的交流磁场的情况下的消耗电力的解析。

如图16A所示，若导入满足的向量势，则z轴方向的向量势A₂＝H₀rsinθ赋予来自x轴方向的均匀的振幅H₀的磁场。

当使该磁场作用于导线时，A_z满足以下的波动方程式。

[数9]

$\frac{{\&part;}^2{A}_z}{\&part;r^2}+\frac{1}{r}\frac{\&part;A_z}{\&part;r}+\frac{1}{r}\frac{{\&part;}^2{A}_z}{\&part;{\mathrm{\&theta;}}^2}+k_2^2{A}_z=0---\left(8\right)$

公式(8)具有以下的解。

[数10]

$A_z=\sin \mathrm{\&theta;}\&times;\left\{\begin{array}{cc}{C}_1{J}_1\left(k_{1}r\right)& (r\&le;r_1)\\ C_2{J}_1\left(k_{2}r\right)+D_2{Y}_1\left(k_{2}r\right)& (r_1<r\&le;r_2)\\ C_{3}r+D_3{r}^{-1}& (r_2\&le;r)\end{array}\right.---\left(9\right)$

C_i、D_i是由如下的边界条件决定的常量。

[数11]

μ_iA_z|_r＝ri-＝μ_i+1A_z|_r＝ri+

$\frac{\&part;A_z}{\&part;r}{|}_{r=ri-}=\frac{\&part;A_z}{\&part;r}{|}_{r=ri+}$

通过式(9)，磁场和电场由如下的公式表示。

[数12]

$H_{\mathrm{\&theta;}}=\left\{\begin{array}{cc}-k_1\&lsqb;C_1{J}_1^{\&prime;}\left(k_{1}r\right)\&rsqb;\sin \mathrm{\&theta;}& (r\&le;r_1)\\ -k_2\&lsqb;C_2{J}_1^{\&prime;}\left(k_{2}r\right)+D_2{Y}_1^{\&prime;}\left(k_{2}r\right)\&rsqb;\sin \mathrm{\&theta;}& (r_1<r\&le;r_2)\\ \&lsqb;C_3-\frac{D_3}{r^2}\&rsqb;\sin \mathrm{\&theta;}& (r_2<r_2)\end{array}\right.---\left(10\right)$

[数13]

$E_z=\left\{\begin{array}{cc}\frac{k_1^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_1}\&lsqb;C_1{J}_1^{\&prime;}\left(k_{1}r\right)\&rsqb;\sin \mathrm{\&theta;}& (r\&le;r_1)\\ \frac{k_2^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_1}\&lsqb;C_2{J}_1^{\&prime;}\left(k_{2}r\right)+D_2{Y}_1^{\&prime;}\left(k_{2}r\right)\&rsqb;\sin \mathrm{\&theta;}& (r_1<r\&le;r_2)\\ \frac{D_3}{{\mathrm{j\&omega;\&mu;}}_0{r}^3}\sin \mathrm{\&theta;}& (r_2<r_2)\end{array}\right.---\left(11\right)$

此时，因为导线中的消耗电力与以导线的表面S对从导线表面流入的坡印亭矢量进行了积分而得到的值的实部相等，所以在使振幅H₀的磁场发挥作用时，长度为l的导线中产生的涡流损失的时间平均由下式表示。

[数14]

(时间平均、L_m：导体的单位长度的内部电感)

由于线圈的附近磁场由流经线圈的电流I生成，所以磁场的振幅H₀与I的振幅成比例。若预先将该比例系数设为α，则H₀如以下那样表示。

[数15]

|H₀|＝α|I|(13)

因此，由接近效应引起的电阻R_p如以下那样表示。

[数16]

R_p＝α²D_p(14)

D_p如以下那样表示。

[数17]

$D_p=-\frac{4\mathrm{\&pi;}{\left|\mathrm{\&xi;}\right|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_2}\mathrm{Re}\&lsqb;\frac{{\mathrm{\&xi;XY}}^{*}}{{\left|Z\right|}^2}\&rsqb;---\left(15\right)$

另外，在σ₁＝σ₂并且μ₁＝μ₂时，C₂＝1、D₂＝0，公式(15)由以下的公式表示。

[数18]

$D_p=-\frac{4\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&sigma;}}_2}\mathrm{Re}\&lsqb;\frac{{\mathrm{\&xi;J}}_1\left(\mathrm{\&xi;}\right)J_1^{\&prime;}\left(\mathrm{\&xi;}\right)}{{\left|J_0\left(\mathrm{\&xi;}\right)\right|}^2}\&rsqb;---\left(16\right)$

线圈、线缆的交流电阻R_ac被表示为因通电所产生的电阻R_s和因接近效应所产生的电阻R_p之和。

[数19]

R_ac＝R_s+R_p(17)

这样，在将R_s和D_p定型化时，对于是外层由铜构成的二层构造导体的导线和由铜构成的导线(铜线)进行表皮效应以及接近效应的比较。

实施例

(实施例1～3、比较例1)

对于内层由合金铝线形成且外层由铜形成的二层构造导体(铜覆铝线)(实施例1)、内层由钢线形成且外层由铜形成的二层构造导体(铜覆钢线)(实施例2)、内层由镍铬合金线形成且外层由铜形成的二层构造导体(铜覆镍铬合金线)(实施例3)，进行了以下的计算。

为了比较，对于单层构造(一层构造)的铜线也进行了相同的计算(比较例1)。铜线可以为剖面圆形。单层构造是指由均匀材料构成的构造。

在以下的说明中，有时将二层构造导体或者铜线简称为“导线”。另外，有时将合金铝简称为“铝”。

导线(实施例1～3以及比较例1)的外径为1.0mm。另外，在实施例1～3(二层构造导体)中，外层相对于整个导线的截面积比率为25％。

对于实施例1～3以及比较例1的二层构造导体，通过计算求出了上述的公式(5)所表示的电阻R_s以及内部电感L_i。另外，通过计算求出了上述的公式(15)所表示的D_p。

其中，在计算时，将铜、合金铝、钢、以及镍铬合金的体积电阻率(20℃)分别设为1.72×10^－8[Ω·m]、3.02×10^－8[Ω·m]、1.57×10^－7[Ω·m]、以及1.50×10^－6[Ω·m]。此外，合金铝的体积电阻率参考了电气学会电气规格调查会标准规格JEC－3405イ号铝合金电线。铜、合金铝、钢、以及镍铬合金的导电率(20℃)分别为5.8×10⁷[Ω^{－ 1}·m^－1]、3.3×10⁷[Ω^－1·m^－1]、6.4×10⁶[Ω^－1·m^－1]、以及6.6×10⁶[Ω^－1·m^－1]。

铜、合金铝、钢、以及镍铬合金的相对磁导率分别为1、1、100、以及1。

图1示出电阻R_s的计算结果。在实施例1～3(二层构造导体)中，在超过第一频率(约1.2MHz)且小于比该第一频率高的第二频率(约7.1MHz)的范围中，与比较例1(铜线)相比，电阻R_s变低。

即，在比第一频率低的低频侧中，实施例1～3(二层构造导体)的电阻R_s比比较例1(铜线)的电阻R_s高，在第一频率中，实施例1～3和比较例1的电阻R_s一致。而且，在比第一频率高的高频侧并且小于第二频率的范围中，实施例1～3的电阻R_s比比较例1的电阻R_s低，在第二频率中，实施例1～3和比较例1的电阻R_s再次一致，在比第二频率高的高频侧中，实施例1～3的电阻R_s比比较例1的电阻R_s高。

图2示出D_p的计算结果。在实施例1～3(二层构造导体)中，在超过第一频率(约1.5MHz)且小于比第一频率高的第二频率(约7.1MHz)的范围中，D_p比比较例1(铜线)低。

即，在比第一频率低的低频侧中，实施例1～3(二层构造导体)的D_p比比较例1(铜线)的D_p高，在第一频率中，实施例1～3与比较例1的D_p一致。而且，在比第一频率高的高频侧并且小于第二频率的范围中，实施例1～3的D_p比比较例1的D_p低，在第二频率中，实施例1～3与比较例1的D_p再次一致，在比第二频率高的高频侧中，实施例1～3的D_p比比较例1的D_p高。

图3中示出内部电感L_i的计算结果。在实施例1～3(二层构造导体)中，在比第一频率(约3.6MHz)高的高频侧并且小于比第一频率高的第二频率(约10MHz)的范围中，L_i比比较例1(铜线)高。

即，在比第一频率低的低频侧中，实施例1～3(二层构造导体)的内部电感L_i比比较例1(铜线)的L_i低，在第一频率中，实施例1～3与比较例1的L_i一致。而且，在比第一频率高的高频侧并且小于第二频率的范围中，实施例1～3的L_i比比较例1的L_i高，在第二频率中，实施例1～3与比较例1的L_i再次一致，在比第二频率高的高频侧中实施例1～3的L_i比比较例1的L_i低。

图4是为了易于理解图1所示的计算结果而表示实施例1～3与比较例1(铜线)的电阻R_s之比(实施例1～3/比较例1)的图。根据该图可知以下的情况。

在实施例1(铜覆铝线)中，相对于比较例1(铜线)最大能够将电阻R_s降低约1％。

在实施例2(铜覆钢线)中，相对于比较例1(铜线)，最大能够将电阻R_s降低约7％。

在实施例3(铜覆镍铬合金线)中，相对于比较例1(铜线)，最大能够将电阻R_s降低约7％。

图5是为了易于理解图2所示的计算结果而表示实施例1～3与比较例1(铜线)的D_p之比(实施例1～3/比较例1)的图。根据该图可知以下的情况。

在实施例1(铜覆铝线)中，相对于比较例1(铜线)，最大能够将D_p降低约1％。

在实施例2(铜覆钢线)中，相对于比较例1(铜线)，最大能够将D_p降低约7％。

在实施例3(铜覆镍铬合金线)中，相对于比较例1(铜线)，最大能够将D_p降低约7％。

图6是为了易于理解图3所示的计算结果而表示实施例1～3与比较例1(铜线)的内部电感L_i之比(实施例1～3/比较例1)的图。根据该图可知以下的情况。

在实施例1(铜覆铝线)中，相对于比较例1(铜线)，最大能够将内部电感L_i升高约0.3％。

在实施例2(铜覆钢线)中，相对于比较例1(铜线)，最大能够将内部电感L_i升高约2％。

在实施例3(铜覆镍铬合金线)中，相对于比较例1(铜线)，最大能够将内部电感L_i升高约2％。

(实施例4)

对于除了将外层的截面积比率设为75％以外均与实施例2相同的二层构造导体(铜覆钢线)求出了相对于比较例1(铜线)的R_s之比、D_p之比、以及L_i之比。结果如图7A所示。

在图7A中，将相对于比较例1(铜线)的R_s之比记载为“R_s(75％CS/Cu)”，将D_p之比记载为“D_p(75％CS/Cu)”，将L_i之比记载为“L_i(75％CS/Cu)”。

对于实施例2，相对于比较例1(铜线)的R_s之比、D_p之比、L_i之比也如图7A所示。

在图中，将相对于比较例1(铜线)的R_s之比记载为“R_s(25％CS/Cu)”，将D_p之比记载为“D_p(25％CS/Cu)”，将L_i之比记载为“L_i(25％CS/Cu)”。

(实施例5)

对于除了将外层的截面积比率设为5％以外均与实施例2相同的二层构造导体(铜覆钢线)，求出了相对于比较例1(铜线)的R_s之比、D_p之比、L_i之比。结果如图7A所示。

在图7A中，将相对于比较例1(铜线)的R_s之比记载为“R_s(5％CS/Cu)”，将D_p之比记载为“D_p(5％CS/Cu)”，将L_i之比记载为“L_i(5％CS/Cu)”。

如图7A所示，在频率区域A1中，实施例4(铜覆钢线)的R_s小于比较例1(铜线)的R_s。因此，在频率区域A1中，对于R_s而言，实施例4相对于比较例1有优势。

另外，在频率区域A1中，由于实施例4的D_p小于比较例1的D_p，所以对于D_p而言，实施例4相对于比较例1有优势。

在是频率区域A1内的区域且比频率区域A1窄的频率区域B1中，由于实施例4的L_i大于比较例1的L_i，所以对于L_i而言，实施例4相对于比较例1有优势。

这样，在频率区域A1中，实施例4在R_s和D_p方面有优势，在比区域A1窄的频率区域B1中，L_i也有优势。

如图7B所示，在频率区域A2中，实施例2在R_s和D_p方面有优势，在比区域A2窄的频率区域B2中，L_i也有优势。

如图7C所示，在频率区域A3中，实施例5在R_s和D_p方面有优势，在比区域A3窄的频率区域B3中，L_i也有优势。

对于R_s、D_p、L_i的结果能够进行以下的考察。

图8A～8C是表示频率为1kHz(图8A)、3MHz(图8B)、或者10MHz(图8C)的电流流经铜覆镍铬合金线(实施例3，外层的截面积比率25％，外径1.0mm)的情况下的、铜覆镍铬合金线的半径方向的电流密度分布的实部的图。

对于比较例1(铜线)，也相同地计算了电流密度分布。

该电流密度分布通过对公式(2)乘以导电率来计算。

由图8A可知，在1kHz中，电流几乎均匀地向正方向流动，在铜覆镍铬合金线中电流几乎仅流向外层(铜)。因此，铜覆镍铬合金线中的电流流动的有效的截面积小于铜线，电流分布的偏向较大。

由于损失是电流的平方函数，所以电流分布的偏向越大，则损失越大。因此，铜覆镍铬合金线的电阻大于铜线。

由图8B可知，在3MHz中，流向铜线的电流的一部分在内部向负方向流动(即，产生环流)，但在铜覆镍铬合金线中不产生环流。

因为在铜线中产生环流，所以正方向的电流偏向较强，因而与铜覆镍铬合金线相比，电阻变大。

由图8C可知，在10MHz中，在铜镍铬合金线的外层中也产生环流，其电流密度分布接近铜线的电流密度分布。

根据这些结果可知，在包括3MHz的频率区域中，由于在铜线中产生环流，并且电流集中到相当于外层的部分，所以铜镍铬合金线的损失小于铜线。

这样，在内层由导电率比铜低的材料构成且外层由铜构成的二层构造导体中，与铜线相比能够更加抑制特定的频率区域中的电阻。因此，能够使线圈的Q值提高。

图9A～9C是表示从外部向铜覆镍铬合金线(实施例3，外层的截面积比率25％，外径1.0mm)施加了均匀的磁场的情况下的、与外部磁场垂直地通过导线(铜覆镍铬合金线)的中心的面的涡流密度的绝对值的图。

图9A示出磁场的频率为500kHz的情况下的涡流密度的绝对值，图9B示出磁场的频率为2MHz的情况下的涡流密度的绝对值，图9C示出磁场的频率为10MHz的情况下的涡流密度的绝对值。

对于比较例1(铜线)，也相同地计算了涡流密度的绝对值。

该电流密度分布通过对公式(11)乘以导电率来计算。

由图9A可知，在500kHz中，由于铜覆镍铬合金线中的涡流流向外层，所以铜覆镍铬合金线中的电流密度分布与铜线相比偏向更强。

由图9B可知，在2MHz中，由于对于导线的表面中的电流密度而言，铜线比铜覆镍铬合金线大，所以与铜覆镍铬合金线相比，铜线的电流密度分布偏向较强。

由图9C可知，在10MHz中，铜镍铬合金线的电流密度分布接近铜线的电流密度分布。

根据这些结果可知，在包括2MHz的频率区域中，由于铜线的涡流的偏向大于铜覆镍铬合金线的涡流的偏向，所以铜镍铬合金线的损失小于铜线。

这样，在外层由铜构成且内层由导电率比铜低的材料(体积电阻率较高的材料)构成的二层构造导体中，能够比铜线更加抑制特定的频率区域中的涡流损失。

(实施例6～8)

在作为外径0.1mm、1.0mm、或者3.2mm的二层构造导体的铜覆铝线(实施例6)、铜覆钢线(实施例7)、铜覆镍铬合金线(实施例8)中，通过模拟求出了电阻R_s小于铜线的电阻R_s的频率区域。

外层的截面积比率为5％、15％、25％、50％。

图10A～10C示出上述频率区域的下限值和上限值。

图10A～10C分别是外径为0.1mm、1.0mm、以及3.2mm的情况下的结果。

如图10A～10C所示，若外层(铜)的截面积比率变化，则二层构造导体的R_s小于铜线的R_s的频率区域发生变化。因此，通过调整外层(铜)的截面积比率，能够在较宽的频率区域中，与铜线相比降低二层构造导体的电阻。因此，能够使线圈的Q值提高。

在铜覆铝线(实施例6)、铜覆钢线(实施例7)、铜覆镍铬合金线(实施例8)中，通过模拟求出了R_s小于铜线的R_s并且D_p小于铜线的D_p的频率区域。

图11A～11C示出上述频率区域的下限值和上限值。

图11A～11C分别是外径为0.1mm、1.0mm、以及3.2mm的情况下的结果。

如图11A～11C所示，若外层(铜)的截面积比率变化，则二层构造导体的R_s小于铜线的R_s并且二层构造导体的D_p小于铜线的D_p的频率区域发生变化。因此，通过调整外层(铜)的截面积比率，能够在较宽的频率区域中，与铜线相比降低二层构造导体的电阻以及接近效应。因此，能够进一步使线圈的Q值提高。

在铜覆铝线(实施例6)、铜覆钢线(实施例7)、铜覆镍铬合金线(实施例8)中，通过模拟求出了R_s小于铜线的R_s、且D_p小于铜线的D_p并且内部电感L_i大于铜线的内部电感L_i的频率区域。

图12A～12C示出上述频率区域的下限值和上限值。

图12A～12C分别是外径为0.1mm、1.0mm、以及3.2mm的情况下的结果。

如图12A～12C所示，若外层(铜)的截面积比率变化，则R_s小于铜线的R_s、且D_p小于铜线的D_p并且L_i大于铜线的L_i的频率区域变化。

因此，通过调整外层(铜)的截面积比率，能够在较宽的频率区域中，与铜线相比降低二层构造导体的电阻以及接近效应，并且增大内部电感。

因此，能够进一步使线圈的Q值提高。

表1～表3对于铜覆铝线(实施例6)、铜覆钢线(实施例7)、铜覆镍铬合金线(实施例8)示出(1)电阻R_s小于铜线的电阻R_s的频率区域的下限值和上限值、(2)R_s小于铜线的R_s并且D_p小于铜线的D_p的频率区域的下限值和上限值、(3)R_s小于铜线的R_s、且D_p小于铜线的D_p并且内部电感L_i大于铜线的内部电感L_i的频率区域的下限值和上限值。

[表1]

[表2]

[表3]

二层构造导体的R_s、D_p、L_i与铜线的R_s、D_p、L_i不同是因为由于电流难以在导电率低的内层流动，所以因表皮效应引起的电流分布在二层构造导体和铜线中不同。

上述的频率区域的下限频率以及上限频率能够与成为基准的铜线中的表皮厚度δ[m]相关联地规定。

“成为基准的铜线”具有由纯铜构成(仅由纯铜形成)的导体部。优选铜线的线径与二层构造导体相同，但也可以是不同的线径。

图13中示出二层构造导体的R_s低于铜线的R_s的频率区域的下限频率以及上限频率中的、铜线的表皮厚度δ以及二层构造导体的半径r₂之比、与二层构造导体的外层(铜)的厚度t以及二层构造导体的半径r₂之比的相关关系。

对于这些结果，在利用1次函数进行了回归分析后，得到了图13所示的回归分析直线。实线是关于下限频率的回归分析直线，虚线是关于上限频率的回归分析直线。

铜线中的表皮厚度δ[m]由以下的公式(18)表示。

$\mathrm{\&delta;}=\sqrt{(2/\mathrm{\&omega;}\mathrm{\&sigma;}\mathrm{\&mu;})}---\left(18\right)$

(ω：电流的角频率(＝2πf)，μ：铜线的磁导率[H/m]，σ：铜线的导电率[Ω^－1m^－1]，f：频率[Hz])

在上述下限频率时，二层构造导体的外层(铜)的厚度t为铜线的表皮厚度δ的0.92倍，在上述上限频率时，厚度t为表皮厚度δ的0.37倍。

因此，在外层(铜)的厚度t[m]处于以下的公式(19)的范围时，二层构造导体的R_s比铜线的R_s低。因此，能够使线圈的Q值提高。

1.1δ＜t＜2.7δ(19)

通过公式(18)，如果预先将铜的导电率设为5.8×10⁷[Ω^－1·m^－1]，将铜的磁导率设为与真空的磁导率相等的4π×10^－7[H/m]，则由公式(19)赋予的t[m]作为取决于频率f[Hz]的关系式，如以下的公式(20)那样被表示。

86×10^－3×f^－0.5＜t＜178×10^－3×f^－0.5(20)

图14中示出二层构造导体的R_s低于铜线的R_s并且二层构造导体的D_p小于铜线的D_p的频率区域的下限频率以及上限频率中的、铜线的表皮厚度δ与二层构造导体的半径r₂之比、和二层构造导体的外层(铜)的厚度t与二层构造导体的半径r₂之比的相关关系。

对于这些结果，在利用1次函数进行回归分析后，得到了图14所示的回归分析直线。实线是关于下限频率的回归分析直线，虚线是关于上限频率的回归分析直线。

在上述下限频率时，二层构造导体的外层(铜)的厚度t为铜线的表皮厚度δ的0.76倍，在上述上限频率时，厚度t为表皮厚度δ的0.37倍。

因此，在外层(铜)的厚度t[m]处于以下的公式(21)的范围时，二层构造导体的R_s小于铜线的R_s，并且D_p小于铜线的D_p。因此，能够进一步使线圈的Q值提高。

1.3δ＜t＜2.7δ(21)

根据公式(18)，如果预先将铜的导电率设为5.8×10⁷[Ω^－1·m^－1]，将铜的磁导率设为与真空的磁导率相等的4π×10^－7[H/m]，则由公式(21)赋予的t[m]作为取决于频率f[Hz]的关系式，如以下的公式(22)那样被表示。

86×10^－3×f^－0.5＜t＜178×10^－3×f^－0.5(22)

图15中示出二层构造导体的R_s低于铜线的R_s、且二层构造导体的D_p小于铜线的D_p并且L_i大于铜线的L_i的频率区域的下限频率以及上限频率中的、铜线的表皮厚度δ与二层构造导体的半径r₂之比、和二层构造导体的外层(铜)的厚度t与二层构造导体的半径r₂之比的相关关系。

对于这些结果，在利用1次函数进行了回归分析后，得到了图15所示的回归分析直线。实线是关于下限频率的回归分析直线，虚线是关于上限频率的回归分析直线。

在上述下限频率时，二层构造导体的外层(铜)的厚度t为铜线的表皮厚度δ的0.51倍，在上述上限频率时，厚度t为表皮厚度δ的0.37倍。

因此，在外层(铜)的厚度t[m]处于以下的公式(23)的范围时，二层构造导体的R_s小于铜线的R_s、且D_p小于铜线的D_p并且L_i大于铜线的L_i。因此，能够进一步使线圈的Q值提高。

2.0δ＜t＜2.7δ(23)

根据公式(18)，如果预先将铜的导电率设为5.8×10⁷[Ω^－1·m^－1]，将铜的磁导率设为与真空的磁导率相等的4π×10^－7[H/m]，则由公式(23)赋予的t[m]作为取决于频率f[Hz]的关系式，如以下的公式(24)那样被表示。

132×10^－3×f^－0.5＜t＜178×10^－3×f^－0.5(24)

一般来说，流经线缆、线圈的电流的频率由使用该电流的设备等外部的重要因素决定。所使用的设备例如可举出感应加热装置、非接触供电装置、等离子体产生装置、开关电源、微波过滤器、天线、其上附带的设备等。

在决定了频率时，导线的粗度由尺寸上的重要因素或R_s与D_p的平衡等决定。另外，如果决定了频率和导线的粗度，则通过根据公式(19)选择外层(铜)的厚度以及截面积比率，与铜线相比能够降低电阻。

在无法忽略接近效应的影响的情况下，通过根据公式(21)选择外层(铜)的厚度以及截面积比率，与铜线相比能够降低电阻和接近效应。

另外，在增大线圈的Q值的情况下，通过根据公式(23)选择外层(铜)的厚度以及截面积比率，能够增大针对线圈的消耗电力的视在功率。

其中，本发明的电线只要具有外层是铜且内层由导电率比铜低的材料(体积电阻率较高的材料。例如导电率比铜低的金属或者绝缘体)构成的构造即可，内层的构成材料并不局限于例示的材料。

图18示出作为电线10的变形例的电线10A。电线10A在导体部11的外周面(外层2的外周面)设置有包覆导体部11的外周面的绝缘包覆层3。绝缘包覆层3是电线10A的最外层。

绝缘包覆层3能够通过涂覆聚酯纤维、聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯亚胺、聚酰胺亚胺等瓷漆涂料而形成。利用瓷漆涂料形成了绝缘包覆层3的电线10A是漆包线。

(绞合线)

图19示出作为使用了图18所示的电线10A的绞合线的例子的绞合线60。绞合线60通过使多根电线10A成束并搓成一股而构成。

(线缆)

图20示出作为对绞合线60实施了绝缘包覆的线缆的例子的线缆80。线缆80在绞合线60的外周面设置有由聚乙烯等形成的绝缘包覆层81。

(高频用线圈)

图21是示出作为使用了图18所示的电线10A的线圈(高频用线圈)的例子的线圈70。线圈70具备电线10A、和具有躯体部71以及在其两端形成的凸缘部72的支承体73。

电线10A被卷绕于躯体部71。

在线圈70中，可以代替电线10A而使用图19所示的绞合线60，也可以使用线缆80。

(实施例9)

使用铜覆铝线(外层的截面积比率25％，外径1.8mm)制成线圈(匝数3)，并测定了交流电阻。结果如图22所示。

为了比较，对于单层构造的铜线也进行了相同的计算(比较例2)。

图中，将铜覆铝线记载为“CA”，将铜线记载为“Cu”。将R_s之比(铜覆铝线/铜线)设为“CA/Cu”。

如图22所示，在频率区域A4中，实施例9(铜覆铝线)的R_s低于比较例2(铜线)的R_s，R_s之比(铜覆铝线/铜线)(CA/Cu)小于1。

(实施例10)

使用铜覆钢线(外层的截面积比率25％，外径2.0mm)制成线圈(匝数1)，并测定了交流电阻。结果如图23所示。

图中，将铜覆钢线记载为“CS”，将铜线记载为“Cu”。将R_s之比(铜覆钢线/铜线)设为“CS/Cu”。

如图23所示，在频率区域A5中，实施例10(铜覆钢线)的R_s低于比较例2(铜线)的R_s，R_s之比小于1。

＜高频用电线的制造方法＞

接下来，对电线10的制造方法的一个例子进行说明。

例如，通过在由铝合金、钢、镍铬合金等构成的内层体的表面纵向添加铜带并进行TIG焊接或者等离子体焊接等，从而在内层体的外周面形成由铜构成的外层而作为母材。通过多段的拉丝模对该母材进行拉丝，能够得到具有内层1和外层2的电线10。

另外，通过多段的拉丝模对向基于通用的造管方法制成的铜管插入由铝合金等形成的内层体而得到的母材进行拉丝，能够得到具有内层1和外层2的电线10。

外层2也可以通过铜镀而形成在内层1的外周面。

此外，这里所示的制造方法并不限定本发明的范围。本发明的实施方式所涉及的高频用电线也能够利用这里所例示的方法以外的制造方法来制造。

上述的实施方式例示了用于将该发明的技术思想具体化的装置、方法，该发明的技术思想并不特定构成部件的材质、形状、构造、配置等。本发明不排除除了内层、外层以外还具有第三层的构造。另外，上述的利用1次函数的回归分析也可以采用最小平方法。

工业上的可利用性

本发明的高频用电线以及高频用线圈能够利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、高频供电线缆、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或探伤传感器、IH厨具加热器、线圈、供电线缆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工业。

符号说明

1…内层，2…外层，10…高频用电线(电线)，11…导体部，60…绞合线，70…高频用线圈。

Claims (8)

1.一种高频用电线，具有导体部，该导体部具备由导电率比铜低的材料形成的内层、和包覆上述内层并且由铜形成的外层，

在上述高频用电线被使用的交流电流的频率范围中，当将具备由纯铜构成的导体部的铜线中的表皮厚度δ[m]规定为时，上述外层的厚度t[m]满足1.1δ＜t＜2.7δ，

其中，ω是由2πf表示的电流的角频率，μ是铜线的磁导率[H/m]，σ是铜线的导电率[Ω^－1m^－1]，f是频率[Hz]。

2.根据权利要求1所述的高频用电线，其中，

上述外层的厚度t满足1.3δ＜t＜2.7δ。

3.根据权利要求1或者2所述的高频用电线，其中，

上述外层的厚度t满足2.0δ＜t＜2.7δ。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的高频用电线，其中，

在上述导体部的外周面设置有绝缘包覆层。

5.一种高频用线圈，其中，

具备权利要求4所述的高频用电线。

6.一种绞合线，其中，

具备由多股搓成的权利要求4所述的高频用电线。

7.一种线缆，其中，

具备被实施了绝缘包覆的权利要求6所述的绞合线。

8.一种线圈，其中，

具备权利要求6所述的绞合线或者权利要求7所述的线缆。