JP2014120325A - リッツ線コイル - Google Patents

Abstract

【課題】非接触給電システムに好適で、安定した高い電気特性を有するリッツ線コイルを提供する。
【解決手段】導体に絶縁被膜を焼き付けたエナメル線を複数撚り合わせたリッツ線１１を、同一平面上に所定の巻数で渦巻き状に巻線してなるリッツ線コイル１において、リッツ線の断面形状が略矩形となるように加圧成形し、リッツ線の断面の扁平率（長辺／短辺）を１．１０〜１．６０、好ましくは１．２０〜１．４０、より好ましくは１．２５〜１．３５に制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁誘導型の非接触給電システムに好適なリッツ線コイルに関する。

近年、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）の充電方法の一つとして、コイルを用いた電磁誘導方式の非接触給電システムが検討されている。非接触給電システムは、交流電源から電力が供給される給電側コイル（一次コイル）と、給電側コイルに対向して配置され、給電側コイルと磁気的に結合する受電側コイルとを備える。ＥＶ用の非接触給電システムにおいては、給電側コイルが車外（床面）に配置され、受電側コイルが車内に配置される。

給電側コイル及び受電側コイルには、例えばエナメル線（導体を絶縁皮膜で被覆した線材）を同一平面上で渦巻き状に巻線してなる平面コイルが適用される。平面コイルは、例えば、線材の一端側を巻枠に固定し、線材に適当な張力を付加しながら巻枠を回転させることにより製造される。単心のエナメル線をコイル用の線材として適用する場合、インダクタンス等の電気特性のばらつきは小さく、実用範囲内で量産することが可能である。

また、ＥＶ用の非接触給電システムのように、高周波の大電流を流して大電力を伝送する必要がある場合は、複数本のエナメル線（素線）を撚り合わせたリッツ線を巻線してなる平面コイル（以下、リッツ線コイル）が用いられる。リッツ線を用いることで、高周波特有の表皮効果や近接効果による交流抵抗の増大を抑制できるためである。

従来、リッツ線をテープ状に圧延して断面矩形状に加工した上で、渦巻き状に巻線することにより、占積率を高めたリッツ線コイルが提案されている（例えば特許文献１）。特許文献１のリッツ線コイルによれば、占積率が高まるので、電気抵抗の向上を図ることができるとともに、コイル寸法が安定するのでインダクタンスのばらつきを抑えることができる。

特開２０００−２１５９７２号公報

ところで、非接触給電システムに用いられるリッツ線コイルには、車両や家電等に搭載するために、寸法上の制約を受けながらも、高い電気特性を有し（高インダクタンス、低抵抗）、またインダクタンスのばらつきの小さいことが要求される。リッツ線コイルのインダクタンスを高めるためには、コイル外径を大きくすればよい。しかしながら、特許文献１のようにリッツ線の断面の扁平率（長辺／短辺）が大きすぎると、所望のコイル外径とするための巻数が著しく増加するため、インダクタンスを高めるのが困難であり、交流抵抗が増大することにもなる。このように、現状では、寸法上の要求を満たしながら、一般の使用に耐えうる高い電気特性を有するものは実現されていない。

本発明の目的は、非接触給電システムに好適で、安定した高い電気特性を有するリッツ線コイルを提供することである。

本発明に係るリッツ線コイルは、導体に絶縁被膜を焼き付けたエナメル線を複数撚り合わせたリッツ線を、同一平面上に所定の巻数で渦巻き状に巻線してなるリッツ線コイルであって、
前記リッツ線の断面形状が略矩形であり、かつ前記リッツ線の断面の扁平率（長辺／短辺）が１．１０〜１．６０であることを特徴とする。

本発明に係るリッツ線コイルは、電気特性のばらつきが抑制されるとともに、交流抵抗が低くなるので、非接触給電システムの用途として好適である。

実施の形態に係るリッツ線コイルを示す図である。 実施の形態に係るリッツ線コイルを示す図である。 実施の形態に係るリッツ線コイルの製造方法（第１工程）を示す図である。 第１工程におけるリッツ線の配置態様の一例を示す図である。 第１工程におけるリッツ線の配置態様の他の一例を示す図である。 第１工程におけるリッツ線の配置態様の他の一例を示す図である。 実施の形態に係るリッツ線コイルの他の一例を示す図である。 実施の形態に係るリッツ線コイルの製造方法（第２工程）を示す図である。 第２工程後のリッツ線コイルの断面形状を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係るリッツ線コイルを示す図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
図１、２に示すリッツ線コイル１は、ＥＶ用の非接触給電システムの給電側コイル又は受電側コイルとして用いられるものである。リッツ線コイル１は、リッツ線１１を同一平面上で渦巻き状に所定の巻数だけ巻線してなる円環状の平面コイルである。リッツ線コイル１は、最外周側と最内周側から引き出される端部１１ａ、１１ｂを有する。この端部１１ａ、１１ｂには、例えば半田付けにより端子金具（図示略）が接続される。

リッツ線１１は、導体に絶縁被膜を焼き付けたエナメル線（素線）を、複数本撚り合わせたものである。エナメル線の導体は、銅又は銅合金であることが好ましく、アルミニウム、アルミニウム合金、又は銅とアルミニウムのクラッド材等を適用することもできる。また、エナメル線の絶縁皮膜には、ポリウレタン、ポリビニルホルマール、ポリウレタンナイロン、ポリエステル、ポリエステルナイロン、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド／ポリアミドイミド、ポリイミド等、リッツ線１１の端部１１ａ、１１ｂを端子金具（図示略）に半田付けする際に高温の半田により溶融する樹脂材料が好適である。

また、図２に示すように、リッツ線１１は、略矩形の断面形状を有する。リッツ線１１の断面の扁平率（長辺／短辺）は１．１０〜１．６０であり、好ましくは１．２０〜１．４０、より好ましくは１．２５〜１．３５である。これにより、電気特性が安定するとともに、交流抵抗が小さくなるので、ＥＶ用の非接触給電システムにおいて伝送効率の向上を図ることができる。
なお、リッツ線１１の選定を含むコイル設計、及び巻線条件、加圧条件を適宜設定することにより、リッツ線１１の断面の扁平率が上記範囲に収まるように制御することができる。

リッツ線１１の断面において、長辺はコイルの径方向に沿うことが好ましい。これにより、電気特性の安定化、交流抵抗の低抵抗化を図ることができる上、容易にリッツ線コイル１の大径化を図ることができ、すなわちインダクタンスを高くすることができる。
なお、リッツ線１１の断面において、長辺がコイルの厚さ方向に沿うようにしても、電気特性の安定化、交流抵抗の低抵抗化を図ることができる。

リッツ線コイル１は、コイル内径Ｄ_ｉｎが１５０〜２５０ｍｍ、コイル外径Ｄ_ｏｕｔが３５０〜６００ｍｍ、巻数が５〜５０ターンであることが好ましい。また、リッツ線１１は、素線径が０．０４〜０．２５ｍｍ、撚り本数が３００〜４０００本であることが好ましい。これにより、電気特性の安定化を図ることができるので、ＥＶ用の非接触給電システムの用途として好適である。

リッツ線コイル１の寸法（コイル内径Ｄ_ｉｎ、コイル外径Ｄ_ｏｕｔ、巻数）は、非接触給電システムにおいて所望の伝送効率が実現されるように適宜に設計され、リッツ線１１の素線径、撚り本数、絶縁材料等の構成は、製造するリッツ線コイル１に応じて適宜に選定される。

リッツ線コイル１は、例えば以下に示す方法によって製造することができる。図３は、リッツ線コイル１の製造方法の第１工程について示す図である。
図３に示すように、本実施の形態では、第１工程において、円環状の平面部２１と、平面部２１の中央に円筒状に形成された内径規制部２３と、平面部２１の外周縁に起立して形成された外径規制部２２とを有する巻枠２を用いる。なお、内径規制部２３は円柱状に形成されてもよい。

巻枠２は、後述する第２工程（加圧成形工程）において破損しない程度の強度を有していればよく、例えばアルミニウム合金または鉄で構成される。後述する加圧部材３も同様である。巻枠２の寸法は、製造するリッツ線コイル１の寸法に合わせて設定される。すなわち、内径規制部２３の外径がリッツ線コイル１の内径に相当し、外径規制部２２の内径がリッツ線コイル１の外径に相当する。

平面部２１には、リッツ線コイル１の巻数に整合する間隔で巻線時の目印となる標線が形成される。この標線２４に沿ってリッツ線１１を配置していくことで、所望の態様に巻線されているかを確認しつつ巻線することができるので、容易に設計通りの巻数とすることができる。

第１の工程では、巻枠２にリッツ線１１を無張力で送り込み、平面部２１に所定の巻数で、リッツ線１１同士が重ならないように渦巻き状に巻線する。具体的には、リッツ線１１の一端部を巻枠２の内周側（又は外周側）に固定し、巻枠２を所定の回転速度で回転させる。このとき、リッツ線１１の巻き込み位置の周速度に合わせてリッツ線１１を送り込む。これにより、リッツ線１１は無張力の状態で送り込まれる。第１工程では、リッツ線１１を無張力で送り込むため、リッツ線コイル１の外周側からリッツ線１１を巻線することもできる。

リッツ線１１の外径が標線２４の間隔に略等しい場合、図４に示すように、リッツ線１１はほぼ密着した状態で整列して巻線される。この場合、加圧成形によるリッツ線１１の変形量は小さいので、リッツ線１１の扁平率を容易に１．１０〜１．６０とすることができる。

リッツ線１１の外径が標線２４の間隔よりも小さい場合は、図５に示すように、隣接するリッツ線１１の間に隙間を形成しつつ巻線する。リッツ線１１の外径が小さい程、すなわち隙間が大きい程リッツ線１１の扁平率は大きくなる。リッツ線１１の扁平率を１．１０〜１．６０にするには、コイルの径方向において隙間が４０％以下であることが好ましい。

図４、図５に示すように、リッツ線１１の外径を標線２４の間隔以下とした場合、後述する第２工程の加圧成形によりリッツ線１１はコイルの径方向に扁平することとなる。すなわち、リッツ線１１の断面において長辺が径方向に沿うため、リッツ線１１の断面積（外径）を大きくすることなく、リッツ線コイル１の大径化を図ることができる。したがって、ＥＶ用の非接触給電システムに好適な、高インダクタンスで軽量のリッツ線コイル１を製造することができる。

なお、リッツ線１１の外径は標線２４の間隔より大きくてもよい。この場合、図６に示すように、予めリッツ線１１を圧延して扁平させて、短径がコイルの径方向となるように巻線する。

また、リッツ線１１の巻線の進行状況に応じて、リッツ線１１の送り出し位置を変化させるのが好ましい。具体的には、トラバース装置を用いることにより、リッツ線１１の送り出し位置を正確に制御することができる。
巻数が増加するに伴ってリッツ線１１の巻き込み位置が変化するため、リッツ線１１の送り出し位置を保持したままとすると、リッツ線１１に張力が付加される虞がある。本実施の形態では、リッツ線１１の送り出し位置を巻線の進行状況に応じて変化させるので、リッツ線１１を確実に無張力で送り込むことができる。

また、巻枠２の平面部２１には、リッツ線１１を仮固定する接着部を配置するのが好ましい。例えば、接着部として、帯状の接着テープを、平面部２１に放射状に配置する。これにより、巻線されたリッツ線１１はその位置に仮固定され、ばらつかないので、容易に設計通りに巻線することができる。
また、図７に示すように、リッツ線１１を仮固定するための接着部として用いた帯状の接着テープ１２を、巻線後（加圧成形後）にリッツ線コイル１の径方向に巻回するようにすれば、コイル形状を保持する機能も兼用させることができる。

第１工程（巻線工程）においてリッツ線１１を巻線し終わった状態では、リッツ線１１の振れやリッツ線１１間の隙間、又はリッツ線１１の浮き上がりなどが残存する。すなわち、コイルとしては欠陥が多く残った状態であり、平坦で安定したコイル形状とはなっていない。そこで、第２工程（加圧成形）を行い、リッツ線コイル１を所望の形状に仕上げる。

図８は、実施の形態に係るリッツ線コイル１の製造方法の第２工程について示す図である。
図８に示すように、本実施の形態では、第２工程において、巻枠２の平面部２１に対応する円環形状を有する加圧部材３によって、巻線されたリッツ線１１を厚さ方向に所定の圧力で加圧成形する。第２工程において、巻線されたリッツ線１１を厚さ方向に加圧成形する（径方向に扁平させる）ことにより、図９に示すようにリッツ線１１の断面が矩形となる。

第２工程における加圧力は、要求されるコイル精度に応じて調整される。例えば、第２工程における加圧力を、０．１ＭＰａ以上とすることで、素線間の凹凸や隙間をなくすことができる。また、０．５ＭＰａ以上とすることで、コイル全体をきれいに平坦化することができる。さらには、５．０ＭＰａ以上とすれば、一部の素線を塑性変形させて占積率を上げることができる。

加圧成形したリッツ線コイル１のコイル形状を保持するために、リッツ線コイル１には所定の処理が施される。
例えば、前述したように、帯状の接着テープをコイルの径方向に巻回してコイル形状を固定する。
また例えば、リッツ線１１を自己融着線（加熱時に接着力を発現する表層を有するエナメル線）で構成し、加圧成形とともに、又は加圧成形の後に、自己融着線の融着温度で加熱して、リッツ線同士を固着するようにしてもよい。

また例えば、リッツ線コイル１の全体に接着剤を塗布してコイル形状を固定するようにしてもよい。この場合、巻枠２には離型剤を塗布しておくのが好ましい。
また例えば、リッツ線コイル１を含浸ワニスに浸漬してコイル形状を固定するようにしてもよい。

このように、本実施の形態に係るリッツ線コイル１の製造方法は、環状の平面部２１と、平面部２１の中央に円筒又は円柱状に形成された内径規制部２３と、外周縁に起立して形成された外径規制部２２を有する巻枠２に、リッツ線１１を無張力で送り込み、平面部２１に所定の巻数で渦巻き状に巻線する第１工程（巻線工程）と、平面部２１に対応する形状を有する加圧部材３によって、巻線されたリッツ線１１を厚さ方向に所定の圧力で加圧成形する第２工程（加圧成形工程）と、を備える。

かかる製造方法によれば、コイル形状が高精度で制御されるので、ＥＶ用の非接触給電システムに好適な、電気特性（特にインダクタンス）のばらつきが極めて小さいリッツ線コイル１を、安定して量産することができる。また、コイル全体が一体化しているので、所定の装置（例えばＥＶ用の非接触給電システム）に組み込む際の取り扱いが容易になる。

［実施例］
実施例では、実施の形態で示した製造方法により、コイル内径２００ｍｍ、巻数：３５ターンでリッツ線を巻線し、リッツ線コイルを作製した。コイル外径は、リッツ線の断面の扁平率が１．１０〜１．６０となるように調整した。実施例１では、素線径：０．２０ｍｍ、撚り本数：４００本（断面積：１２．６ｍｍ^２）のリッツ線を用い、実施例２では、素線径：０．１１ｍｍ、撚り本数：１３００本（断面積：１２．４ｍｍ^２）のリッツ線を用いた。

［比較例］
比較例では、実施の形態で示した製造方法により、コイル内径２００ｍｍ、巻数：３５ターンでリッツ線を巻線し、リッツ線コイルを作製した。コイル外径は、リッツ線の断面の扁平率が１．１０〜１．６０の範囲外となるように調整した。また、リッツ線には、上記実施例で用いたものの他、素線径：０．１４ｍｍ、撚り本数：６００本のもの（断面積：９．２ｍｍ^２を用いた。

実施例及び比較例で作製したリッツ線コイルについて、５０ｋＨｚでの交流抵抗値、及びインダクタンスを測定し、電気特性を評価した。評価結果を表１〜３に示す。
なお、表１〜３における交流抵抗値は、同様にして作製した１０個のリッツ線コイルの平均値（ｍΩ）である。また、インダクタンスのばらつきは、同様にして作製した１０個のリッツ線コイルの測定結果に基づいて、｛（最大値）−（最小値）｝／（平均値）より算出した値（％）である。また、インダクタンスのばらつきは、量産する上で１％以下であることが要求されるので、これを評価基準とした。

表１〜３に示すように、リッツ線の断面の扁平率が１．１０〜１．６０の場合に、交流抵抗が低く、インダクタンスのばらつきも１％以下となった（実施例１、２）。特に、リッツ線の断面の扁平率が１．２０〜１．４０の場合に、より低い交流抵抗の値が得られ（実施例１−２〜１−５、２−２〜２−５）、更にリッツ線の断面の扁平率が１．２５〜１．３５の場合には、インダクタンスのばらつきがさらに小さくなった（実施例１−３、１−４、２−３、２−４）。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、リッツ線コイルの形状は、円環状に限定されず、長円環状、角環状であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ リッツ線コイル
１１ リッツ線

本発明に係るリッツ線コイルは、導体に絶縁被膜を焼き付けたエナメル線を複数撚り合わせたリッツ線を、同一平面上に所定の巻数で渦巻き状に巻線してなるリッツ線コイルであって、
前記リッツ線の断面形状が略矩形であり、かつ前記リッツ線の断面の扁平率（長辺／短辺）が１．１０〜１．６０であり、
前記リッツ線は、素線径が０．０４〜０．２５ｍｍ、撚り数が３００〜４０００本であり、
コイル内径が１５０〜２５０ｍｍ、コイル外径が３５０〜６００ｍｍ、巻数が５〜５０ターンであり、
前記リッツ線の断面における長辺がコイルの径方向に沿うことを特徴とする。

Claims (6)

1. 導体に絶縁被膜を焼き付けたエナメル線を複数撚り合わせたリッツ線を、同一平面上に所定の巻数で渦巻き状に巻線してなるリッツ線コイルであって、
   前記リッツ線の断面形状が略矩形であり、かつ前記リッツ線の断面の扁平率（長辺／短辺）が１．１０〜１．６０であることを特徴とするリッツ線コイル。
2. 前記リッツ線の断面の扁平率（長辺／短辺）が１．２０〜１．４０である請求項１に記載のリッツ線コイル。
3. 前記リッツ線の断面の扁平率（長辺／短辺）が１．２５〜１．３５であることを特徴とする請求項２に記載のリッツ線コイル。
4. 前記リッツ線は、素線径が０．０４〜０．２５ｍｍ、撚り数が３００〜４０００本であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のリッツ線コイル。
5. コイル内径が１５０〜２５０ｍｍ、コイル外径が３５０〜６００ｍｍ、巻数が５〜５０ターンであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のリッツ線コイル。
6. 前記リッツ線の断面における長辺がコイルの径方向に沿うことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のリッツ線コイル。

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