JP2013171700A - コイル用線材、コイル構造 - Google Patents

Abstract

【課題】表皮効果による電流集中部の熱損失を抑制し、軽量化を効率よく達成可能な、モータ等に用いられるコイル用線材等を提供する。
【解決手段】線材１は、素線３ａ、３ｂと絶縁被覆７等から構成される。素線３ａと素線３ｂは、互いに異なる非磁性体で構成される。素線３ａ、３ｂの外周囲は、絶縁層５が形成される。絶縁層５は、例えば素線３ａ、３ｂ上に形成された酸化物層である。したがって、線材１の断面において、導体部は、素線３ａ、３ｂによって分割され、線材１は、複数の異なる素線３ａ、３ｂの集合線となる。素線３ａ、３ｂは、線材１の断面において、線材１の中心に対して非対称に形成される。すなわち、素線３ａ、３ｂは、断面中心に対して偏心して配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車等に用いられモータ用のコイル構造およびこれに用いられるモータ用線材に関するものである。

例えば、自動車等に用いられるモータ用のコイルには、高周波電流が流される。このように導体に交流電流を流す場合、当該導体は表皮効果の影響を受ける。表皮効果とは、高周波電流が導体を流れる際、導体の表面において電流密度が高くなり、表面から離れると電流密度が低くなる現象である。すなわち、例えばコイルに対して高周波交流電流を流すと、コイルを構成する回路導体の表面に電流が集中することとなる。

このような表皮効果を抑制するため、導体を複数に分割し、電流集中部を分散させる方法がある（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３）。

特開２００２−２７３６９３号公報 特開２００６−１０００７７号公報 特開２００９−２４５６５８号公報

一方、このようなコイル用の線材としては、通常、銅線が用いられる。しかし、前述の表皮効果の影響を受けると、線材の表面に電流が集中し、内部の電流密度が小さくなる。したがって、軽量化のために、電流密度が小さくなる線材中央部のみをアルミニウムなどの軽量な材質で構成する方法がある。このように、アルミニウム線の外周に銅を被覆させることで、電流密度の大きくなる部位を電気抵抗の小さな銅で構成し、電流密度が小さい内部を軽量なアルミニウムで構成することができる。したがって、例えば、線材で生じる熱損失を抑制するとともに軽量なコイルを得ることができる。

図５（ａ）は、コイル１０を示す図である。コイル１０は、コイルコア１３の外周に巻き線１１が巻つけられて構成される。コイルコア１３は、例えば、鉄、フェライト、パーマロイなどの磁性材料で構成される。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ線の部分断面を示す概略図である。コイル１０に巻きつけられる巻き線１１は、例えば、図示したような断面が略矩形の断面形状を有する。なお、図５（ｂ）には、各巻き線１１の巻き位置に応じた電流密度の分布の概念図を示す。

例えば、図６（ａ）は、図５（ｂ）のＢ部における巻き線１１の電流密度分布の拡大図であり、図６（ｂ）は、図５（ｂ）のＣ部における巻き線１１の電流密度分布の拡大図である。図６において、電流密度が大きい順にＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇで示す。

図６に示すように、実際にコイルコア１３に巻きつけられた巻き線１１は、その巻き付け位置によって、電流密度の分布が大きく異なる。また、巻き線１１の断面において、表皮効果の影響で、中心よりも外周部の方が電流密度が高い傾向はあるものの、巻き線の巻き位置などによって、必ずしも電流密度の分布は一定ではない。また、巻き線１１の断面の中心に対して、電流密度分布が対象な分布になるわけではない。

このような傾向は、コイルコア１３に対して、巻き線１１が位置によって不均一な場合（例えば、巻き位置によって巻き数が異なる場合など、巻き幅（図５の左右方向）の中央に対して、巻き形態が線対称にならない場合）に顕著となる。したがって、例えば、単に中心にアルミニウムを配置し、外周を銅で構成した従来の巻き線では、十分な表皮効果対策および軽量化を達成することが困難であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、表皮効果による電流集中部の熱損失を抑制し、軽量化を効率よく達成可能な、モータ等に用いられるコイル用線材等を提供することを目的とする。

前述した目的を達するために第１の発明は、コイル用の線材であって、少なくとも、非磁性体である第１の素線と、前記第１の素線とは異なる材質からなる第２の素線と、を具備し、前記第１の素線と、前記第２の素線が集合されて集合線が形成され、前記集合線の再外周には絶縁被覆が形成され、前記第１の素線または前記第２の素線が、前記集合線の断面において、中心から偏心した位置に配置されることを特徴とするコイル用線材である。

前記第１の素線と前記第２の素線の間には、絶縁層が形成されてもよい。

前記集合線の断面形状が、非真円形であることが望ましい。

前記第１の素線は、銅または銅合金であり、前記第２の素線はアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが望ましい。

前記絶縁被覆の内面に、磁性材層がさらに設けられてもよい。前記磁性材層は鉄、フェライト、パーマロイのいずれかであってもよい。

第１の発明によれば、各素線を、断面において偏心させて配置するため、前述のように、コイルの巻き位置に応じて電流集中部が偏心する部位において、効率よく発熱対策と軽量化とを達成することができる。このような効果を得るためには、例えば、第１の素線を銅または銅合金とし、第２の素線をアルミニウムまたはアルミニウム合金とすればよい。

また、線材の断面が、第１の素線と第２の素線とで分割され、それぞれの素線間に絶縁層が形成されるため、鎖交磁束の影響による電流集中部が分散される。したがって、電流が集中する部位の面積が増大し、全体として抵抗を下げることができる。

また、各素線を、断面において偏心させて配置するため、前述のように、コイルの巻き位置に応じて電流集中部が偏心する部位において、効率よく発熱対策と軽量化とを達成することができる。このような効果を得るためには、例えば、第１の素線を銅または銅合金とし、第２の素線をアルミニウムまたはアルミニウム合金とすればよい。

また、断面形状を非真円形とすることで、巻き線の巻き位置に応じて断面方向を制御しやすくなる。

また、絶縁被覆の内面に、磁性材層をさらに設けることで、外部磁束をすいよせ、導体部を通過する磁束を低減することができる。したがって、これにより生じる渦電流を低減することができる。このような磁性材層としては、例えば鉄、フェライト、パーマロイなどを適用することができる。

第２の発明は、コイル構造であって、コイルコアと、前記コイルコアに巻き付けられた巻き線と、を具備し、前記巻き線は、少なくとも、非磁性体である第１の素線と、前記第１の素線とは異なる材質からなる第２の素線とが集合されて集合線と、前記集合線の外周に形成される絶縁被覆とを具備し、前記第１の素線または前記第２の素線の少なくとも一方が、前記集合線の断面において、中心から偏心した位置に配置され、前記集合線の断面形状が、非真円形であることを特徴とするコイル構造である。

前記第１の素線と前記第２の素線の間には、絶縁層が形成さてもよい。

第２の発明によれば、巻き線のそれぞれの素線が中心に対して偏心しているため、巻き線の巻き位置に応じて、電流集中部が偏心する場合において、効率よく表皮効果対策と軽量化とを達成することができる。

本発明によれば、表皮効果による電流集中部の熱損失を抑制し、軽量化を効率よく達成可能な、モータ等に用いられるコイル用線材等を提供することができる。

線材１を示す断面図。 線材１ａを示す断面図。 線材１ｂ、１ｃを示す断面図 線材１ｄ、１ｅ、１ｆを示す断面図。 （ａ）はコイル１０を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線部分断面図。 巻き線の断面における電流密度分布を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、線材１を示す断面図である。線材１は、複数の素線３ａ、３ｂと絶縁被覆７等から構成される。素線３ａと素線３ｂは、互いに異なる非磁性体で構成される。例えば、素線３ａは銅または銅合金で構成され、素線３ｂはアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成される。

素線３ａ、３ｂの外周囲には、絶縁層５が形成される。絶縁層５は、例えば素線３ａ、３ｂ上に形成された酸化物層である。したがって、線材１の断面において、導体部は、素線３ａ、３ｂによって分割され、線材１は、複数の異なる素線３ａ、３ｂの集合線となる。

素線３ａ、３ｂは、略矩形断面形状である。線材１は、素線３ａ、３ｂが縦横に複数配置されて、全体として略矩形断面形状となる。すなわち、線材１は、非真円形状となる。

素線３ａ、３ｂは、線材１の断面において、線材１の中心に対して非対称に形成される。すなわち、素線３ａ、３ｂは、断面中心に対して偏心して配置される。ここで、断面中心に対して偏心するとは、断面の中心点に対して点対称ではないことを意味する。なお、素線３ａ、３ｂの配置、形状および数は図示した例に限られない。

このように形成される線材１を図５に示したようなコイルコアに巻きつけることで、コイル構造を構成することができる。この際、コイルコアの巻き位置に応じて、巻き線を変更することも可能である。例えば、図５（ｂ）のＢ位置近傍にまきつけられる巻き線として、図１に示した線材１を用いることができる。この場合、図６（ａ）に示した、電流密度の特に高い部位には、導電率の高い銅などの素線を配置し、電流密度の小さな部位には、アルミニウムなどの軽量な材質を配置すればよい。

なお、線材１は、素線３ａ、３ｂを金型に導入して一括した状態で、外周部に絶縁被覆を施すことで形成される。この際、各素線３ａ、３ｂの外周面に、適宜酸化皮膜等の絶縁層を形成してから一体化を行えばよい。また、例えば、素線３ａ、３ｂの外周面に接着層等を形成しても良い。

以上、本実施の形態によれば、電流密度の集中部が、巻き線の断面において偏った位置に発生するコイルの巻位置に対して、特に有効な線材を得ることができる。したがって、コイルにおける熱損失を抑制し、軽量なコイルを得ることができる。また、コイルの巻き位置に応じて、断面における素線３ａ、３ｂの配置が異なる複数の線材を、コイルの巻位置に応じてそれぞれ適用することで、効率よく表皮効果対策と軽量化を両立することができる。

また、線材１の断面が非真円形であるため、線材１をコイルコアに巻きつける際に、線材１の断面方向を制御することが容易である。

次に、第２の実施の形態について説明する。図２は、線材１ａを示す図である。なお、以下の説明において、線材１と同一の機能を奏する構成については、図１と同様の符号を付し、重複する説明を省略する。線材１ａは、線材１と略同様であるが、磁性材層９が形成される点で異なる。

磁性材層９は、素線３ａ、３ｂの最外周側であって、絶縁被覆７の内面に形成される。磁性材層９としては、例えば、鉄、フェライト、パーマロイ等の磁性材料を用いることができる。なお、線材１ａの断面形状や、素線３ａ、３ｂの形状、配置、数などは、図示した例に限られない。

線材１ａによれば、線材１と同様の効果を得ることができる。また、さらに磁性材層９を有するため、磁性材層９が外部磁束をすいよせ、素線３ａ、３ｂを通過する磁束を低減することができる。したがって、これにより生じる渦電流を低減することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、前述の実施形態では、素線３ａ、３ｂとして略矩形断面形状のものを用い、線材１、１ａの断面形状もこれと同様の略矩形断面のものを用いたが、本発明はこれに限られない。

例えば、図３（ａ）に示した線材１ｂのように、素線３ａ、３ｂとして、略三角形状の断面ものを用いてもよい。この場合、素線３ａ、３ｂを組み上げることで、線材１ｂの断面形状としては、略六角形の形状としても良い。この場合であっても、素線３ａ、３ｂを中心点に対して点対称に配置しないことで、線材１と同様の効果を得ることができる。また、断面形状が非真円であるため、コイルコアに巻きつける際の線材１ｂの断面方向の制御が容易である。また、線材１ｂの断面形状が略六角形であるので、コイルコアの外周に線材を最密に配置することができる。

また、同様に、図３（ｂ）に示すような線材１ｃとしても良い。線材１ｃは、略三角形状の断面を有する素線３ａ、３ｂを用いて、線材１ｃ全体の断面形状を三角形状としたものである。このように。線材の断面形状およびこれに用いられる素線の断面形状は、いずれの形状であっても良い。例えば、線材の断面形状としては、図示した例以外では、楕円形状や他の多角形等であっても良い。

さらに、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すような線材１ｄ、１ｅ、１ｆとしてもよい。線材１ｄ、１ｅ、１ｆは、たとえば中心素線としてアルミニウム８ａ（またはアルミ合金）、外周周辺に外周素線として銅８ｂ（または銅合金）を配置したものである。図４（ａ）は断面円形、図４（ｂ）は断面六角形、図４（ｃ）は断面矩形としている。このような線材１ｄ、１ｅ、１ｆをコイル構造とすることで、本願発明の効果である、熱損失と軽量化の両立が得られる。

なお、線材の製法として、ディップフォーミンング法を用いても良い。ディップフォーミンング法により芯材を溶けた金属の中に浸漬する事で、芯材の表面に金属層を形成することができる。素線はディップフォーミングで形成しても良い。また、このように異なる金属部であるアルミニウム８ａ、銅８ｂを一体化して形成した場合であっても、本発明では、得られた導体をそれぞれの素線の集合線と称する。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ………線材
３ａ、３ｂ………素線
５………絶縁層
７………絶縁被覆
９………磁性材層
１０………コイル
１３………電子部品
１１………巻き線
１３………コイルコア

Claims (8)

1. コイル用の線材であって、
   少なくとも、非磁性体である第１の素線と、前記第１の素線とは異なる材質からなる第２の素線と、を具備し、
   前記第１の素線と、前記第２の素線が集合されて集合線が形成され、前記集合線の再外周には絶縁被覆が形成され、
   前記第１の素線または前記第２の素線が、前記集合線の断面において、中心から偏心した位置に配置されることを特徴とするコイル用線材。
2. 前記第１の素線と前記第２の素線の間には、絶縁層が形成されることを特徴とする請求項１記載のコイル用線材。
3. 前記集合線の断面形状が、非真円形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコイル用線材。
4. 前記第１の素線は、銅または銅合金であり、前記第２の素線はアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のコイル用線材。
5. 前記絶縁被覆の内面に、磁性材層がさらに設けられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のコイル用線材。
6. 前記磁性材層は鉄、フェライト、パーマロイのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のコイル用線材。
7. コイル構造であって、
   コイルコアと、
   前記コイルコアに巻き付けられた巻き線と、
   を具備し、
   前記巻き線は、少なくとも、非磁性体である第１の素線と、前記第１の素線とは異なる材質からなる第２の素線とが集合されて集合線と、前記集合線の外周に形成される絶縁被覆とを具備し、前記第１の素線または前記第２の素線の少なくとも一方が、前記集合線の断面において、中心から偏心した位置に配置され、前記集合線の断面形状が、非真円形であることを特徴とするコイル構造。
8. 前記第１の素線と前記第２の素線の間には、絶縁層が形成されることを特徴とする請求項７記載のコイル構造。

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