JP2014032751A

JP2014032751A - モーター巻線用の銅アルミニウム複合線

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Publication number: JP2014032751A
Application number: JP2012170947A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Sakai; 一成坂井; Junji Ninomiya; 淳司二宮
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-02-20

Abstract

【課題】モーター巻線用の銅アルミニウム複合線について、集合線としたときの特性に優れると共に、加工性の改良がなされたものを提供する。
【解決手段】本発明は、銅線と、前記銅線の外周面を覆うアルミニウム合金からなる層とが複合化された巻線用の銅アルミニウム複合線であって、前記銅線はその断面形状が正六角形であり、前記アルミニウム合金からなる層は略一定の厚さで銅線を覆い、全体の断面形状が正六角形である銅アルミニウム複合線である。本発明に係る銅アルミニウム複合線は、１本の銅アルミニウム複合線を中心に配し、その外周に最密充填になるように同心円状に銅アルミニウム複合線を配して結束することで集合線とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流モーター等のコイルへの巻線に適用される銅アルミニウム複合線に関する。特に、占積率が向上されたものであって、渦電流損失が低下されていると共に、加工性にも優れた巻線用の銅アルミニウム複合線に関する。

交流モーター等の電気機器のコイルへの巻線として利用される、マグネットワイヤ、複数のマグネットワイヤを撚り合わせたリッツ線としては、従来から、タフピッチ銅、純銅等からなる銅線を絶縁被覆した線材、その集合線が用いられている。

また、前記従来の銅線からなる巻線用材料に対し、特許文献１には、高周波回路、低周波回路、または周波数が変動する環境において損失を低減できる技術として、銅線の周囲にＡｌ合金を複合化させた銅アルミニウム複合線及びその集合線が開示されている。

特開２００９−１２９５５０号公報

上記特許文献１記載の銅アルミニウム複合線は、単線の状態においては、その目的である高周波回路、低周波回路、または周波数が変動する環境における損失低減の効果が認められる。しかしながら、集合線の状態ではその特性を十分に活かしきっているとは言い難い。

また、従来の巻線用の銅アルミニウム複合線は、その高周波特性の改善はなされているものの加工性に関しては不十分な面があった。特許文献１によれば、銅アルミニウム複合線は、アルミニウムの面積率が５０％を超えると、全体損失特性がアルミ線に近づき、直流抵抗や低周波損失が増加することから、面積率の調整が必要である。そして、複合線の製造にあたっては、パイプ状のアルミニウムと銅線とを複合化して引抜加工を行うが、この際、狙った面積率を達成できないことがある。また、複合線をモーターのコイルに巻く際において、応力集中を受ける複合線外側のアルミニウムに割れが発生することもある。このような加工に伴う問題に対して、上記特許文献１には特段の解決策が提示されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、モーター巻線用の銅アルミニウム複合線について、集合線としたときの特性に優れると共に、加工性においても改良がなされたものを提供する。

上記課題を解決する本発明は、銅線と、前記銅線の外周面を覆うアルミニウム合金からなる層とが複合化された巻線用の銅アルミニウム複合線であって、前記銅線はその断面形状が正六角形であり、前記アルミニウム合金からなる層は略一定の厚さで銅線を覆い、全体の断面形状が正六角形である銅アルミニウム複合線である。

本発明者等は、上記課題解決のため、まず、集合線としたときの特性改善のため、その占積率を可能な限り高めることのできる単線の複合線の構成を検討した。集合線の占積率の向上にあたっては、単線の断面形状が大きく影響する。本発明に係る銅アルミニウム複合線は、断面形状が正六角形の銅線の周りにＡｌ合金を一定の厚さで複合化させたものであり、複合線の断面形状も正六角形であることを特徴とする。断面形状が正六角形であるため集合線として用いた際、占積率を高くしてデッドスペースを作ることなく空間を有効に利用できる。例えば、同一寸法の円の中に断面形状が正六角形の単線７本と、断面形状が円の単線７本を敷き詰めたときとを比較すると、正六角形では導体の占積率が８３％を占めるが、円では導体の占積率が６２％を占めることになり、正六角形である方が空間を有効に活用できる。

また、集合線としたときの占積率の改善のみが目的であれば、単線の断面形状としては、他の形状、例えば、三角形や四角形であっても占積率の向上は可能である。本発明が、正六角形のみを対象としたのは、表皮効果を考慮した導体として利用できる面積を確保するためである。これは、通電させる電気が交流の場合、表皮効果によって導体の表面では電流が集中し電流密度が高く、導体の中心では電流密度は低くなる。電流密度の分布は同心円状に変化しており、導体の外周形状に沿う形にはならないので、断面形状は円に近いほど導体として利用できる面積が大きい。この点、断面形状が三角形や四角形の場合、表皮効果による角部への電流の集中が生じてしまう。これに対し、正六角形は内角の角度が９０度よりも大きく、円形に近づけることができ最適な断面形状である。

複合線にする際のＡｌ合金の比率は、複合線の断面面積に対してＡｌ合金の面積が２０％以上７０％以下であるものが好ましい。２０％未満では、Ａｌ合金の厚みが薄くなり、Ａｌ合金の表皮深さを活かすことができなくなる一方、７０％を超えると内側の銅に電流が流れず、交流抵抗が大きくなってしまうからである。Ａｌ合金の面積率は、より好ましくは３０％以上５０％以下である。

尚、本発明に係る銅アルミニウム複合線において、銅線を中心としその周囲にＡｌ合金を配するのは、表皮効果の影響を抑制するためである。これは、銅とＡｌ合金の表皮深さを比較すると周波数１０ｋＨｚのとき、銅は０．６６ｍｍ、Ａｌ合金は０．８６ｍｍでありＡｌ合金のほうが深い。これは表面から中心に向かう電流密度の減衰がＡｌ合金のほうが小さいことを示している。そのため、銅とＡｌ合金を複合化させる場合、Ａｌ合金を銅の周囲に用いた方が表面からの電流密度の減衰を抑制でき、表皮効果の影響を抑制できるからである。

次に、本発明に係る銅アルミニウム複合線を構成する銅線及びＡｌ合金の構成材料について述べる。この構成材料は、複合線の電気特性のみならずその加工性に影響を及ぼす。まず、銅線を構成する銅は一般的な純銅であり、電気特性を最適にするため、タフピッチ銅や無酸素銅を用いることが好ましい。

一方、銅線の周囲に配するＡｌ合金は、その電気特性として、導電率が５５ＩＡＣＳ％以上６０ＩＡＣＳ％以下であるＡｌ合金であることが好ましい。このようにすることで複合線としたときの交流抵抗を、同一形状の銅に対して１．２倍までにすることができ交流抵抗の増加を抑えることができるからである。

そして、銅線の周囲に配するＡｌ合金は、引張強度が２００Ｎ／ｍｍ^２以上２８０Ｎ／ｍｍ^２以下であるＡｌ合金が好ましい。銅線を構成する純銅、タフピッチ銅、無酸素銅は、引張強度が２２０Ｎ／ｍｍ^２から２６０Ｎ／ｍｍ^２である。この銅線を覆うＡｌ合金の引張強度を２００Ｎ／ｍｍ^２以上２８０Ｎ／ｍｍ^２以下として強度差を小さくすることで、複合線をモーターコイルに巻く際のＡｌ合金の割れ発生を抑えることができる。

更に、Ａｌ合金は、引張強度が上記範囲にあることに加えて、耐力が１８０Ｎ／ｍｍ^２以上２６０Ｎ／ｍｍ^２以下であるものが好ましい。純銅の耐力は２００Ｎ／ｍｍ^２から２３０Ｎ／ｍｍ^２であり、Ａｌ合金の耐力を１８０Ｎ／ｍｍ^２以上２６０Ｎ／ｍｍ^２以下と規定することで、複合線製造時の引抜加工の際、銅とＡｌ合金の断面積比を狙いどおりに製造できる。

以上のように、本発明に係る銅アルミニウム複合線では、銅線の周りのＡｌ合金の機械的性質の設定が重要である。この点、従来の銅アルミニウム複合線では、導電率の観点から純アルミニウムが用いられる例が多いが、銅と純アルミニウムとの間では機械的性質における差が大きいものであった。そのため、複合線の引抜加工や巻線加工の際の加工性に問題があったと考えられる。

上記した好ましいＡｌ合金、即ち、導電率が５５ＩＡＣＳ％以上６０ＩＡＣＳ％以下、引張強度が２００Ｎ／ｍｍ^２以上２９０Ｎ／ｍｍ^２以下、耐力が１８０Ｎ／ｍｍ^２以上２７０Ｎ／ｍｍ^２以下の物性値を有するＡｌ合金の具体例としては、Ｍｇ：０．３〜１．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．３〜１．３ｍａｓｓ％を含有し、Ｆｅ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．１５ｍａｓｓ％以下の１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ合金が挙げられる。

このＡｌ合金の構成元素について説明する。尚、本願明細書において合金組成を示す「％」とはｍａｓｓ％（質量％）を意味する。ＳｉおよびＭｇはこのＡｌ合金の主要な合金元素である。これらの合金元素はＡｌマトリックス中に固溶し、或いは、Ｍｇ_２Ｓｉ粒子として微細に析出して合金強度を高め、導電体の変形を防止する役割を有する。ＳｉまたはＭｇの含有量のいずれかが上記範囲の下限未満では、その固溶量或いはＭｇ_２Ｓｉ粒子量が減少して十分な強度が得られない。また、いずれかの元素が上記成分範囲の上限を上回ると、その固溶量が増加して導電率が低下し導体としての機能に影響を及ぼす。また、Ｓｉ、Ｍｇが上記範囲を上回ると、Ｍｇ_２Ｓｉ粒子が粗大化して成形性が低下し、複合性の製造に影響を及ぼす。

Ａｌ合金は、Ｓｉ及びＭｇの主要成分に加えて副成分としてＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉを含んでも良い。これらの合金元素は、合金の強度を高める。これらのうち、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉは、Ａｌと金属間化合物を形成し、分散強化により強度を向上させる。Ｃｕは固溶して導電体の強度を向上させる。Ｚｎは固溶により強度を向上させる。但し、これら副成分の含有量のいずれかが上限を超えると成形性が低下する。

本発明に係る銅アルミニウム複合線は、その単線を絶縁被覆して束ねて集合線として用いることで、集合線の内部が絶縁で区切られて、渦電流が分断され渦電流損失が小さくなる。

本発明に係る銅アルミニウム複合線を集合線として適用する場合、単線を最密充填になるように中心の１本の外側に同心円状に隙間無く束ねて集合線として使用するのが好ましい。このとき、具体的な配列としては、中心の正六角形の複合線の各辺に複合線を配して合計７本の複合線単線を束ねたものや、更に、複合線の各辺に複合線を配して合計１９本、或いは、３７本の複合線を束ねた集合線が適用できる。

以上説明した、銅アルミニウム複合線は、銅線をＡｌ合金からなるパイプ状の素材に挿入した複合材を引抜加工することで製造できる。この引抜加工は冷間で可能であり、また、複数回行っても良い。複合線の面積率については、上記の複合材製造の際に調整することができ、銅線断面積とパイプ状Ａｌ合金断面積との比率を調整すれば良い。本発明では、引抜加工の加工性改善により、この段階で調製された面積比を維持することができる。更に、複合線の断面形状の制御については、引抜加工の際のダイス形状により可能である。

尚、上記引抜加工のための複合材製造のためのパイプ状のＡｌ合金は、上述した成分のＡｌ合金を半連続鋳造法などの常法により鋳塊とし、この鋳塊を５００〜５４０℃の温度で均質化処理した後、熱間押出し及び冷間引抜きしてパイプとすることができる。この冷間引抜の前後または途中においては、５００℃以上の温度で保持後冷却（２００℃までは１℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却）する溶体化処理を施し、続いて必要に応じて所定の冷間引抜を行い、最後に１５０〜２５０℃の温度で時効硬化処理を施すのが好ましい。

以上説明したように本発明に係る銅アルミニウム複合線は、占積率を高めることにより好適な特性の巻線用の導体とすることができる。また、銅線周囲のＡｌ合金の構成を最適化することにより、複合線製造時及び複合線を巻線加工したときの加工性も良好なものとなる。

本実施形態に係る銅アルミニウム複合線の単線の断面図である。本実施形態に係る銅アルミニウム複合線の集合線を示す断面図である。

以下、本発明の銅アルミニウム複合線の実施の形態について説明する。

まず、組成を調整した６種のＡｌ合金（合金Ｎｏ．１〜６）のパイプを製造した。表１に製造したＡｌ合金の組成を示す。また、これらＡｌ合金の物性値を表２に示す。

Ａｌ合金パイプの製造では、半連続鋳造法によりＡｌ合金鋳塊とし、これを均質化処理した後、熱間押出し冷間引抜きして内径４．０ｍｍ外径６．０ｍｍのパイプとした。このパイプに中心部となる直径３．５ｍｍの銅線を挿入し、この複合体を嵌合して冷間引抜き加工により直径４．５ｍｍの断面形状が円の線材とした。この線材を更に冷間引抜き加工して断面形状が正正六角形で対辺の距離が０．７２ｍｍの線材を作製した。Ａｌ合金の面積率は４０％とした。この単線１本ずつの周囲を絶縁被覆し（図１）、撚りの無い状態で７本に束ねて、さらに外周を絶縁層で覆い集合線とした（図２）。尚、銅線については市販のタフピッチ銅及び無酸素銅の２素類の銅線を用い、それぞれについて複合線を製造した。

製造した各試料について、まず、加工後の単線の断面観察を行い、銅とＡｌ合金が同様な正六角形の形状になっており、Ａｌ合金の厚みが均一になっているか否かを確認した。このとき、Ａｌ合金の厚みが均一なものを加工性良好と判定することとし、６個の辺の中央部でのＡｌ合金の平均厚さで±２０％以上の偏差があったものを加工性不良と判断した。また、集合線について、巻線時の加工を想定した曲げ試験を行った。曲げ試験は、９０°曲げをＲ＝２で実施して、表面の割れの有無を確認して曲げ性を評価した。

そして、集合線の電気特性評価のため、交流抵抗の測定、渦電流損失の測定を行い評価した。交流抵抗の測定は、インピーダンスアナライザーを用いて長さ１ｍ、周波数１０ｋＨｚの交流抵抗を測定して、同一形状の銅に対して交流抵抗の増加を１．２倍までで抑えることが出来る、つまり７．１ｍΩ以下になる複合体を良好と判断した。また、渦電流損失の測定に関しては、線に対して垂直方向に磁界を印加した際の線の発熱温度から渦電流損失を算出し、銅の単一材料の渦電流損失と比較した。表３に各実施例と比較例の評価結果を示す。尚、表３には参考例として銅単一材料の物性を示す。

表３から、実施例であるＣ１〜Ｃ４は、銅線周囲のＡｌ合金の組成を適正範囲としたものであり、交流抵抗、曲げ性、加工性全てにおいて特性を満たしており、渦電流損失に関しても銅よりも低減できている。

これに対し、比較例であるＣ５〜Ｃ８では、曲げ試験においてＡｌ合金に割れが発生してしまい、さらに加工性が悪かった。これは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅといった強度確保のための合金元素が不足しＡｌ合金の強度が不足し、銅線との間の強度差が大きくなったためと考えられる。尚、この割れ発生ため交流抵抗、渦電流損失の測定は実施しなかった。

また、比較例であるＣ９〜Ｃ１２では、交流抵抗値が７．１ｍΩを上回り不良と判断された。この要因は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎといった合金元素が過剰に含まれこれらの固溶量が増大し、合金の導電率を低下させたためと考えられる。よって、本実施例に係る銅とＡｌ合金の複合導体は、モーター用の巻線として良好な特性を示すことが確認された。

以上説明した本発明に係る銅アルミニウム複合線は、集合線としたときの占積率を高くすることができ好適な特性の巻線用の導体とすることができる。また、複合線製造時及び複合線を巻線加工したときの加工性も良好である。本発明は、交流モーターの巻線用の導体として好適である。

Claims

銅線と、前記銅線の外周面を覆うアルミニウム合金からなる層とが複合化された巻線用の銅アルミニウム複合線であって、
前記銅線はその断面形状が正六角形であり、前記アルミニウム合金からなる層は略一定の厚さで銅線を覆い、全体の断面形状が正六角形である銅アルミニウム複合線。
銅線の外周面を覆うアルミニウム合金は、導電率が５５ＩＡＣＳ％以上６０ＩＡＣＳ％以下、引張強度が２００Ｎ／ｍｍ^２以上２９０Ｎ／ｍｍ^２以下、耐力が１８０Ｎ／ｍｍ^２以上２７０Ｎ／ｍｍ^２以下のアルミニウム合金である請求項１記載の銅アルミニウム複合線。
銅線の外周面を覆うアルミニウム合金は、Ｍｇ：０．３〜１．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．３〜１．３ｍａｓｓ％を含有し、更に、Ｆｅ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．１５ｍａｓｓ％以下の１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ合金である請求項１又は請求項２記載の銅アルミニウム複合線。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の銅アルミニウム複合線を複数結束してなる巻線用の銅アルミニウム複合線であって、
１本の前記銅アルミニウム複合線を配し、その外周に最密充填になるように同心円状に銅アルミニウム複合線を配して結束した銅アルミニウム複合線。