JP2012146473A - 多芯電線 - Google Patents

Abstract

【課題】電流容量を増加するため、導体を隙間なく配置できると共に、高周波電流を用いても表皮効果の影響の少ない素線導体の形状、絶縁方法、組合せ方法を持った多芯電線を構成する。
【解決手段】短径が表皮深さの２倍より小さい複数の導体線１２が、肉厚が表皮深さより小さい中空導体管１５内部にあり、複数の導体線１２と中空導体管１５が絶縁膜１３を介して一体化した多芯電線１０とした。多芯電線１０の断面外形は円、矩形または正六角形である。
【選択図】図１

Description

本発明は、モーター（電動機）や発電機のコイル、あるいは、送電線に好適な多芯電線に関する。

図５に従来の一般的なモーター１００の断面図を示す（特許文献１）。モーター１００は、ステーター１０１（固定子）とローター１０２（回転子）を備える。ステーター１０１は、ステーターコア１０３の周囲にステーターコイル１０４を巻回したものである。ローター１０２は回転軸１０５を中心として回転する。

図５の左下部にステーターコイル１０４の断面を示す。ステーターコイル１０４は、断面が円形のコイル線１０６を多重に巻いたものである。コイル線１０６は、断面が稠密六方配列になるように巻いても、コイル線１０６間に約１０％（断面積として）の隙間ができる。そのため、ステーターコイル１０４の電流密度を高くすることが困難である。

図６に従来の他のモーターのステーターコイル１１０の断面図を示す（特許文献２）。ステーターコイル１１０はステーターコア１１１の周囲に巻き付けられる。このステーターコイル１１０はコイル線１１２の断面が長方形であるため、ステーターコア１１１の周りに隙間無く巻き付けることができる。そのため、断面が円形のコイル線１０６のモーター１００より、ステーターコイル１１０の電流密度を高くすることができる。

モーターに流す電流の周波数が高くなると、コイル線に表皮効果が生じる。図７は表皮効果により電流密度の低下することを示すグラフである。図７の横軸は電流の周波数、左縦軸は表皮深さ、右縦軸は相対的電流密度である。図７の右縦軸の相対的電流密度は、直流の場合を１００％として表示されている。図７は、断面が３．２ｍｍ×１．７ｍｍの長方形の銅製コイル線をモデルとした計算値である。

図７から分かるように、断面が３．２ｍｍ×１．７ｍｍの長方形の銅製コイル線の場合、電流の周波数が約４ｋＨｚを越えると、相対的電流密度は低下するようになる。電流の周波数が約３０ｋＨｚで、相対的電流密度は５０％になり、電流の周波数が約２００ｋＨｚで、相対的電流密度は２０％になる。このため、高周波電流でモーターを使用するとき、コイル線の表皮効果による電流密度低下が問題となる。

コイル線の表面積を増やす（コイル線を細くし、本数を多くする）ことにより、コイル線の表皮効果の影響を軽減することができる。コイル線を隙間無く巻くためには、コイル線の断面は矩形であることが望ましい。しかし、断面が矩形の細いコイル線を隙間無く巻くことは生産技術的に難しい。

断面が円形のコイル線は、細くても稠密に巻くことはできる。しかし、コイル線間の隙間が避けられないため、電流密度を高くすること困難である。また、断面が矩形の細いコイル線は、隙間無く巻くことが困難である。

特開２０１０−２８９５８号公報 特開２００９−２２５５０７号公報

断面が円形のコイル線は、細くても稠密に巻くことができる。しかし、コイル線間の隙間が避けられないため、電流密度を高くすることが困難であった。また、断面が矩形の細いコイル線は、隙間無く巻くことが困難であった。このため、従来は、電流密度を高くすることと、表皮効果を軽減することが両立しなかった。

本発明の目的は、高周波電流を用いても表皮効果の影響が少なく、隙間無く巻くことができて電流密度を高くすることができ、しかも巻くことが容易であるコイル用電線を実現することである。本発明に係るコイル用電線は多芯電線である。本発明の多芯電線はコイルに限らず、送電線などにも使用できる。

（１）本発明の多芯電線は複数の導体線と、中空導体管を備える。複数の導体線は中空導体管の内部にある。複数の導体線と中空導体管は絶縁膜を介して一体化している。
（２）本発明の多芯電線において、導体線の短径は表皮深さの２倍より小さい。導体線の断面が多角形の場合、短径は最小辺の長さとする。
（３）本発明の多芯電線において、中空導体管の肉厚は表皮深さより小さい。中空導体管の肉厚が一定でない場合、肉厚は最小肉厚とする。
（４）本発明の多芯電線において、中空導体管の断面外形は円、矩形または正六角形である。「円」には、実用的に差し支えない範囲のゆがみをもった円も含まれる。「矩形」には、角が面取りされた矩形および角が丸みを帯びた矩形も含まれる。「正六角形」には、角が面取りされた正六角形および角が丸みを帯びた正六角形も含まれる。
（５）本発明の多芯電線において、導体線および中空導体管の材質は銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれか、あるいはそれらの組合せである。「銅」には、微量の添加成分を有する銅も含まれる。「アルミニウム」には、微量の添加成分を有するアルミニウムも含まれる。
（６）本発明の多芯電線の製造方法は、複数の導体線をテープ状導体に載せる工程、テープ状導体を丸め、長手端面を接合して中空導体管を作製し、中空導体管内に複数の導体線を収納する工程、中空導体管および複数の導体線を絶縁膜を介して一体化する工程を含む。

本発明により、高周波電流を用いても表皮効果の影響が少なく、隙間無く巻くことができて電流密度を高くすることができ、巻くことが容易であるコイル線（多芯電線）が実現された。

（ａ）本発明に用いられる導体線の断面図、（ｂ）本発明に用いられる導体線束の断面図、（ｃ）本発明に用いられる導体線束と中空導体管の断面図、（ｄ）本発明に用いられる導体線束と中空導体管の断面図、（ｅ）本発明に用いられる導体線束と中空導体管の断面図、（ｆ）本発明の多芯電線の断面図 本発明の多芯電線の表皮効果軽減状況を示すグラフ （ａ）本発明に用いられる導体線の断面図、（ｂ）本発明に用いられる導体線束の断面図、（ｃ）本発明に用いられる導体線束と中空導体管の断面図、（ｄ）本発明に用いられる導体線束と中空導体管の断面図、（ｅ）本発明に用いられる導体線束と中空導体管の断面図、（ｆ）本発明の多芯電線の断面図 導体線束を中空導体管に連続的に挿入する製法の説明図 従来の一般的なモーターの断面図 従来の他のモーターのステーターコイルの断面図 表皮効果により電流密度の低下することを示すグラフ

本発明の多芯電線においては、複数の導体線が中空導体管内に収納され、導体線どうしおよび中空導体管が絶縁膜を介して一体化している。導体線の断面形状、断面積、材質が全て同一である必要はない。また、中空導体管の肉厚は場所により異なっていてもよい。絶縁膜の厚さも、絶縁が確保されれば、一定でなくてもよい。絶縁膜の材質が場所により異なっていてもよい。導体線の材質と中空導体管の材質は異なっていてもよい。

中空導体管の断面外形は、コイルにするとき隙間なく巻けるように、矩形または正六角形であることが望ましい。「矩形」には、角が面取りされた矩形、角が丸みを帯びた矩形も含まれる。「正六角形」には、角が面取りされた正六角形、角が丸みを帯びた正六角形も含まれる。送電線のように巻かない場合は、中空導体管の断面外形は円でもよい。「円」には、実用的に差し支えない範囲のゆがみをもった円も含まれる。

導体線の断面形状が多角形の場合、最小の辺長を導体線の短径ということにする。導体線の短径は、使用周波数での表皮深さの２倍より小さいことが望ましい。その場合、電流は導体線の断面全体を流れるため、表皮効果による電流密度低下が生じない。

中空導体管の肉厚は、最小の場所で使用周波数での表皮深さより小さいことが望ましい。その場合、電流は中空導体管の断面全体を流れるため、表皮効果による電流密度低下が生じない。

導体線および中空導体管の材質は、電気伝導度、加工性、コスト、耐久性などを考慮すると、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれか、あるいはそれらの組合せが望ましい。なお、「銅」には、微量の添加成分を有する銅も含まれる。「アルミニウム」には、微量の添加成分を有するアルミニウムも含まれる。

複数の導体線を中空導体管に収納する方法として、複数の導体線をテープ状導体に載せ、テープ状導体を丸め、テープ状導体の長手端面を接合して中空導体管を作製し、中空導体管内に複数の導体線を収納した構造を実現する方法が望ましい。この製造方法によれば、導体線および中空導体管の長さに制限がないので、長尺のものが容易に製造できる。

本発明の多芯電線の実施例を説明するが、以下に述べる材料と寸法は一例であり、本発明はこれに限られるものではない。

図１は本発明の多芯電線１０の一例およびその製法を、製造工程順に断面図により示したものである。

図１（ａ）は、本発明の多芯電線１０の材料となる導体線１２の断面図である。導体線１２は、表面を絶縁膜１３で被覆されている。導体線１２は、代表的には、銅線である。絶縁膜１３は、代表的には、ポリエステル、ポリアミドイミドなどからなる単層膜、あるいは多層膜である。導体線１２の直径は、例えば、０．５ｍｍ、絶縁膜１３の厚さは、例えば、３０μｍである。

今回、本発明の多芯電線１０の用いられるモーターの一例では、電流の周波数が約８ｋＨｚなので、図７から分かるように、銅の表皮深さは約０.８ｍｍである。従って直径０.５ｍｍの導体線１２では表皮効果は無視でき、電流は導体線１２の断面全体を流れる。

図１（ｂ）に示すように、取扱いを容易にするため、導体線１２を９本撚って、導体線束１４を形成する（取扱いの問題がなければ、導体線１２を撚らずに平行に並べて導体線束１４を形成してもよい）。

図１（ｃ）に示すように、導体線束１４を中空導体管１５に挿入する。中空導体管１５は、代表的には、銅管である。中空導体管１５の内径は、例えば、３．２ｍｍ、外径は、例えば、４ｍｍ、肉厚は、例えば、０．４ｍｍである。８ｋＨｚでの銅の表皮深さは約０.８ｍｍであるから、中空導体管１５についても表皮効果は無視でき、電流は中空導体管１５の断面全体を流れる。

図１（ｄ）に示すように、引き抜き加工により、導体線１２、絶縁膜１３、中空導体管１５を一体化する。一体化後の中空導体管１５の内径は、例えば、１．７ｍｍ、外径は、例えば、２．５ｍｍ、肉厚は、例えば、０．４ｍｍである。引き抜き加工の際、絶縁膜１３に亀裂が生じないように注意する。送電線のように、巻かないで使用する場合は、図（ｄ）の工程で完成品の多芯電線とすることもできる。

図１（ｅ）に示すように、引き抜き加工により、中空導体管１５の断面外形を矩形に変形させる。中空導体管１５の外寸は、例えば、３．２ｍｍ×１．７ｍｍ、肉厚は、例えば、０．４ｍｍである。導体線１２も、図のように変形する。

図１（ｆ）に示すように、中空導体管１５の外側に絶縁膜１６を被覆して、本発明の多芯電線１０が完成する。

図１（ｆ）に示す本発明の多芯電線１０は、絶縁膜１３により区分された９本の導体線１２と中空導体管１５と絶縁膜１６からなる。導体線１２が細く、多数あるため、導体の表面積が大きくなり、表皮効果の影響が軽減される。図１（ｆ）に示す多芯電線１０は断面が矩形であるため、従来のモーターのステーターコイル１１０（図６）と同様、隙間なく巻くことができる。図１（ｆ）に示す多芯電線１０は太いため、隙間なく巻くことが生産技術的に容易である。

図２に、本発明の多芯電線１０の表皮効果軽減状況を示す。図２の横軸は電流の周波数、左縦軸は表皮深さ、右縦軸は相対的電流密度である。図２の右縦軸の相対的電流密度は、直流の場合を１００％として表示されている。図２は、断面が３．２ｍｍ×１．７ｍｍの長方形の銅製コイル線（単線）をモデルとした計算値と、図１に示した本発明の多芯電線１０をモデルとした計算値である。本発明の多芯電線１０の断面は３．２ｍｍ×１．７ｍｍの長方形である。銅製コイル線（単線）の計算値はrelative current density(single wire)と称するグラフであり、多芯電線１０の計算値はrelative current
density(multi wires)と称するグラフである。

図２から分かるように、銅製コイル線（単線）の場合、電流の周波数が約４ｋＨｚを越えると、相対的電流密度は低下していく。電流の周波数が約３０ｋＨｚで、相対的電流密度は５０％になり、電流の周波数が約２００ｋＨｚで、相対的電流密度は２０％になる。

一方本発明の多芯電線１０の場合、電流の周波数が約２０ｋＨｚまで、相対的電流密度が低下しない。電流の周波数が約２０ｋＨｚを越えると、相対的電流密度は低下していくが、約１００ＭＨｚまで、銅製コイル線（単線）より常に相対的電流密度が高い。従って、約４ｋＨｚから約１００ＭＨｚの間、本発明の多芯電線１０を使用することにより、銅製コイル線（単線）に比べて表皮効果を軽減することができる。このため本発明の多芯電線１０は、約４ｋＨｚから約１００ＭＨｚの間で、従来の長方形のコイル線１１２（単線）より高い電流密度で使用することができ、有利である。

図３は本発明の多芯電線２０の他の例およびその製法を、製造工程順に断面図により示したものである。図１と共通の部分には同じ符号を付す。

図３（ａ）は、本発明の多芯電線２０の材料となる導体線１２の断面図である。導体線１２の寸法、材料等は図１の多芯電線１０と同じである。

図３（ｂ）は、導体線１２を９本撚って形成した導体線束１４である。これは図１の導体線束１４と同じものである。

図３（ｃ）は、導体線束１４を中空導体管１５に挿入した図である。中空導体管１５の寸法、材料等は図１の中空導体管１５と同じである。

図３（ｄ）は、導体線１２、絶縁膜１３、中空導体管１５を一体化した図である。一体化後の中空導体管１５の寸法等は図１の中空導体管１５と同じである。送電線のように、巻かないで使用する場合は、図（ｄ）の工程で完成品の多芯電線とすることもできる。

図３（ｅ）に示すように、引き抜き加工により、中空導体管１５の断面外形を正六角形に変形させる。中空導体管１５の外寸は、例えば、一辺が０.８２ｍｍ、肉厚は、例えば、０．４ｍｍである。導体線１２も、図のように変形する。

図３（ｆ）に示すように、中空導体管１５の外側に絶縁膜１６を被覆して、本発明の多芯電線２０が完成する。図３（ｆ）に示す多芯電線２０は、断面が正六角形であるため、コイルにする場合、隙間なく巻くことができる。図１（ｆ）に示す多芯電線２０は太いため、隙間なく巻くことが生産技術的に容易である。

図４は、複数の導体線１２からなる導体線束１４を、中空導体管１５に連続的に挿入する製造方法の一例である。工程は図４の右から左へ向かって進む。図４の右の方は、複数の導体線１２からなる導体線束１４を、テープ状導体３１（例えば薄い銅板）に載せる工程を示す。図４の中央は、テープ状導体３１を丸めて長手端面３２を接合し、中空導体管１５を作製する工程を示す。この工程で中空導体管１５内に複数の導体線１２からなる導体線束１４を収納する。図４の左の方は、中空導体管１５に挿入された、複数の導体線１２からなる導体線束１４を示す。図４の製法によれば、中空導体管１５および導体線束１４の長さに制限がないため、長尺の中空導体管１５に挿入された導体線束１４を連続的に作製することができる。

本発明の多芯電線は、モーター（電動機）あるいは発電機のコイル、または送電線に好適に用いられる。

１０ 多芯電線
１２ 導体線
１３ 絶縁膜
１４ 導体線束
１５ 中空導体管
１６ 絶縁膜
２０ 多芯電線
３１ テープ状導体
３２ 長手端面
１００ モーター
１０１ ステーター
１０２ ローター
１０３ ステーターコア
１０４ ステーターコイル
１０５ 回転軸
１０６ コイル線
１１０ ステーターコイル
１１１ ステーターコア
１１２ コイル線
１２４ 導体線

Claims (6)

1. 複数の導体線と、中空導体管を備え、
   前記複数の導体線は前記中空導体管の内部にあって、
   前記複数の導体線と前記中空導体管が絶縁膜を介して一体化した多芯電線。
2. 前記導体線の短径が表皮深さの２倍より小さい、請求項１に記載された多芯電線。
3. 前記中空導体管の肉厚が表皮深さより小さい、請求項１または２に記載された多芯電線。
4. 前記中空導体管の断面外形が円、矩形または正六角形である、請求項１から３のいずれかに記載された多芯電線。
5. 前記導体線および前記中空導体管の材質が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれか、あるいはそれらの組合せである、請求項１から４のいずれかに記載された多芯電線。
6. 複数の導体線をテープ状導体に載せる工程、
   前記テープ状導体を丸め、長手端面を接合して中空導体管を作製し、前記中空導体管内に複数の導体線を収納する工程、
   前記中空導体管および前記複数の導体線を、絶縁膜を介して一体化する工程を含む、多芯電線の製造方法。

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