JP2015065081A - 高周波電線および高周波コイル - Google Patents

Abstract

【課題】近接効果をさらに低減させることができる高周波電線および高周波コイルを提供する。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる中心導体１と、中心導体１を被覆する軟磁性層２と、を備えた高周波電線１０。軟磁性層２は、中心導体１の長手方向に沿う繊維状組織を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、高周波電線および高周波コイルに関し、特に各種高周波機器の巻線、リッツ線、ケーブル等に利用される高周波電線および高周波コイルに関する。

高周波電流を通電する機器（変圧器、モータ、リアクトル、誘導加熱装置、および磁気ヘッド装置等）の巻線や給電ケーブルにおいては、高周波電流により発生した磁界によって導体内に渦電流損が生じ、その結果として交流抵抗（高周波抵抗）が増大し、発熱および消費電力増大を引き起こすことがある。
交流抵抗が増大する要因としては、近接効果および表皮効果がある。

図１７に示すように、近接効果は、外部磁束５４により渦電流５３が生じるとともに、電流密度Ｊが導体５１内で偏る現象である。
図１８に示すように、表皮効果は、導体５１に導体電流５２が流れるときに、電流密度Ｊが導体５１表面で高くなる現象であり、内部磁束５５によって渦電流５３が生じるとともに、電流が流れる領域が制限されるため交流抵抗は増大する。

近接効果および表皮効果を抑止する方策としては、一般的には、電線の細径化と、各素線を絶縁被覆したリッツ線の採用がある（例えば、特許文献１、２参照）。
リッツ線の素線としては、図１９におよび図２０に示すものがある（特許文献３を参照）。
図１９に示す絶縁被覆銅線３０は、銅線３１の表面に絶縁被覆３２を形成したものである。図２０に示す絶縁被覆銅線４０は、銅線４１の表面に磁性材めっき層４２、絶縁被覆４３を形成したものである。
図２１に示すように、絶縁被覆銅線４０では、外部磁界４４が印加されると、磁界４４は磁性材めっき層４２に偏って分布し、銅線４１においては軽減される。したがって、磁性材めっき層がない絶縁被覆銅線３０（図１９参照）に比べて、銅線での近接効果を抑制できる。

特開２００９−１２９５５０号公報 特開２００５−１０８６５４号公報 特開２００９−２７７３９６号公報

しかしながら、絶縁被覆銅線４０では、銅線４１における近接効果は抑制できたとしても、磁性材めっき層４２において渦電流が発生し、この渦電流による近接効果損が発生することがあったため、さらなる近接効果低減が要望されていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、近接効果をさらに低減させることができる高周波電線および高周波コイルを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる中心導体と、前記中心導体を被覆する磁性層と、を備え、前記磁性層は、前記中心導体の長手方向に沿う繊維状組織を有する高周波電線を提供する。
前記磁性層は、鉄または鉄合金からなることが好ましい。
前記磁性層の体積抵抗率は、前記中心導体の体積抵抗率より高いことが好ましい。
磁性層の外面側には、絶縁被覆層を有することが好ましい。

本発明は、前記高周波電線が複数撚り合わされたリッツ線を提供する。
本発明は、前記高周波電線を使用した高周波コイルを提供する。

本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる中心導体と、前記中心導体を被覆する磁性層と、を備えた電線母材を、１または複数のダイスを用いて伸線することにより、前記磁性層が前記繊維状組織を有する高周波電線を得る高周波電線の製造方法を提供する。
前記電線母材を伸線する際の累積減面率は、７０％以上であることが好ましい。

本発明によれば、磁性層が、中心導体の長手方向に沿う繊維状組織を有するため、磁性層における抵抗率は高くなる。このため、渦電流を抑え、近接効果を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る高周波電線を示す断面図である。 伸線ダイスの一例を示す模式図である。 累積減面率と抵抗率との関係を示すグラフである。 絶縁被覆層を有する高周波電線を示す断面図である。 （ａ）実施例の軟磁性層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。（ｂ）は（ａ）を拡大したＳＥＭ写真である。 （ａ）比較例の軟磁性層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。（ｂ）は（ａ）を拡大したＳＥＭ写真である。 アスペクト比の算出方法を説明する図である。 実施例の高周波電線の軟磁性層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 実施例の高周波電線の軟磁性層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 比較例の高周波電線の軟磁性層の光学顕微鏡写真である。 比較例の高周波電線の軟磁性層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 リッツ線の例を示す斜視図である。 高周波コイルの例を示す斜視図である。 高周波コイルの例を示す斜視図である。 コイルの例を示す外観図である。 交流周波数と交流抵抗との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。 近接効果を説明するための模式図である。 表皮効果を説明するための模式図である。 従来の高周波電線の一例を示す断面図である。 従来の高周波電線の他の例を示す断面図である。 前図の高周波電線に対する磁界の分布を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
（高周波電線）
図１は、本発明の一実施形態である高周波電線１０を示すもので、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金からなる中心導体１と、中心導体１を被覆する軟磁性層２（磁性層）と、を備えている。
中心導体１としては、例えば電気用アルミニウム（ＥＣアルミニウム）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ６０００番台）などが使用可能である。
アルミニウム合金は、通常、ＥＣアルミニウムよりも体積抵抗率が大きいため、好適である。

軟磁性層２は、鉄、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金などが使用できる。
鉄合金としては、ＦｅＳｉ系合金（ＦｅＳｉＡｌ、ＦｅＳｉＡｌＣｒなど）、ＦｅＡｌ系合金（ＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＯなど）、ＦｅＣｏ系合金（ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢ、ＦｅＣｏＶなど）、ＦｅＮｉ系合金（ＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉなど）（パーマロイ等）、ＦｅＴａ系合金（ＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮなど）、ＦｅＭｇ系合金（ＦｅＭｇＯなど）、ＦｅＺｒ系合金（ＦｅＺｒＮｂ、ＦｅＺｒＮなど）、ＦｅＣ系合金、ＦｅＮ系合金、ＦｅＰ系合金、ＦｅＮｂ系合金、ＦｅＨｆ系合金、ＦｅＢ系合金などが挙げられる。
軟磁性層２は、中心導体１への磁界の侵入を抑制することにより渦電流を抑制する（図２１参照）。

軟磁性層２の比透磁率は、例えば１０以上（例えば１０〜５００）とすることができる。
軟磁性層２の厚さは、例えば１μｍ〜１０００μｍとすることができる。
なお、本願発明における磁性層は、いわゆる「軟磁性」を示すものに限定されない。

軟磁性層２の断面積は、中心導体１と軟磁性層２を合わせた高周波電線１０全体の断面積に対して、２０％以下であることが望ましい。
前記断面積比率（高周波電線１０全体に対する軟磁性層２の断面積比率）は、３％〜１５％が望ましく、より望ましくは３％〜１０％、更に望ましくは３％〜５％である。軟磁性層２の高周波電線全体に対する断面積の比をこの範囲とすることで、高周波抵抗を低減することができる。
高周波電線１０全体の直径は、例えば０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍとすることができる。

軟磁性層２は、中心導体１の長手方向に沿う繊維状組織を有する。
ここでいう「繊維状組織を有する」か否かは、軟磁性層２の組織を電子顕微鏡等により観察したときに、アスペクト比が「５／１」を越える粒状体（例えば結晶粒）を複数確認できることを基準として判断することができる。
アスペクト比の測定について、図７〜図１１を参照しつつ説明する。
図７（ａ）に示す結晶粒Ｃ１について、図７（ｂ）に示すように、最長径となる補助線１１を描き、次いで、図７（ｃ）に示すように、補助線１１と平行な一対の長辺１２、１２と、補助線１１に対し垂直な一対の短辺１３、１３とからなる長方形１４を描く。

一方の長辺１２（１２ａ）は、補助線１１から一方側（図７（ｃ）の上方）に最も離れた位置で結晶粒Ｃ１の輪郭線１５に接し、他方の長辺１２（１２ｂ）は、補助線１１から他方側（図７（ｃ）の下方）に最も離れた位置で結晶粒Ｃ１の輪郭線１５に接している。
一方の短辺１３（１３ａ）は、補助線１１から一方側（図７（ｃ）の左方）に最も離れた位置で結晶粒Ｃ１の輪郭線１５に接し、他方の短辺１３（１３ｂ）は、補助線１１から他方側（図７（ｃ）の右方）に最も離れた位置で結晶粒Ｃ１の輪郭線１５に接している。
この長方形１４の長辺１２と短辺１３の長さの比（Ｌ１／Ｌ２）をアスペクト比とする。なお、図７（ｃ）における結晶粒Ｃ１のアスペクト比は８．３２／１である。

図８および図９は、高周波電線１０の、鉄からなる軟磁性層２の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示すものである。
図８では、２つの結晶粒（例１、２）について、上述の手法で長方形（図７（ｃ）の長方形１４参照）が描かれている。例１、２のアスペクト比は、それぞれ「６．１／１」と、「９．０／１」である。
図９では、２つの結晶粒（例３、４）について、上述の手法で長方形が描かれており、例３、４のアスペクト比は、それぞれ「１３．３／１」と、「２１．２／１」である。
例１〜４の結晶粒は、いずれも高周波電線１０の長手方向に沿って形成されている。

図８、図９では、アスペクト比が「５／１」を越える鉄の結晶粒が複数確認できたため、軟磁性層２は、高周波電線１０の長手方向に沿う繊維状組織を有すると判断できる。
なお、軟磁性層２が繊維状組織を有するか否かを判断するにあたっては、対象とする顕微鏡写真の視野内に確認できる粒状体の数が所定の数（例えば１００）以下であることが望ましい。

軟磁性層２の組織は、後述するように、ダイスを用いた伸線加工により形成された加工組織であることが好ましい。加工組織とは、例えば冷間加工を受けたあとの組織である。冷間加工とは、再結晶温度以下で行う加工を意味する。
繊維状組織は、伸線加工によって結晶粒が伸線方向に引き伸ばされた組織であってよい。

比較のため、図１０に再結晶温度以上で熱処理（アニール処理）を行い再結晶化した高周波電線の、鉄からなる軟磁性層の光学顕微鏡写真を示す。また、図１１に、鉄からなる軟磁性層の上にめっき法により形成されたニッケル層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。
これらの高周波電線は、鉄からなる軟磁性層を備えているが（図１参照）、軟磁性層は、再結晶温度以上で熱処理を行い再結晶化した再結晶組織やめっき組織を有する。
再結晶組織とは、例えば、冷間加工によってひずみを生じた結晶粒が、再結晶によってひずみのない結晶に置き換わった組織である。
めっき組織とは、湿式のめっきによって形成された金属の組織である。めっき組織は、非晶質であってもよい。

図１０では、アスペクト比が「５／１」より大きい結晶粒は観察されなかった。結晶粒（例５）についてアスペクト比測定したところ、「１．５／１」であった。
図１１でも、アスペクト比が「５／１」より大きい結晶粒は観察されなかった。
図１０および図１１では、アスペクト比が「５／１」を越える結晶粒が確認できなかったため、軟磁性層は、繊維状組織を有さないといえる。

軟磁性層２の体積抵抗率は、中心導体１の体積抵抗率より高いことが好ましい。これによって、渦電流損による交流抵抗の上昇を抑制できる。
長手方向に沿う繊維状組織は、軟磁性層２だけでなく、中心導体１にも形成されていてもよい。

なお、高周波電線１０では、中心導体１と軟磁性層２との間に、中心導体１から軟磁性層２にかけて傾斜的に組成が変化する金属間化合物層（図示略）が形成されていてもよい。金属間化合物層は、例えば、中心導体１の構成材料と軟磁性層２の構成材料とを含む合金からなる。金属間化合物層は、軟磁性層２よりも体積抵抗率が大きくてもよい。

図４は、高周波電線１０の変形例であり、ここに示す高周波電線１０Ａは、軟磁性層２の外面側に絶縁被覆層３が設けられている。絶縁被覆層３は、高周波電線１０Ａの最外層である。
絶縁被覆層３は、ポリエステル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド等のエナメル塗料を塗布することにより形成することができる。

（リッツ線）
図１２は、図４に示す高周波電線１０Ａを用いたリッツ線の例であり、ここに示すリッツ線６０は、高周波電線１０Ａを複数本束ねて撚り合わせることにより構成されている。

（高周波コイル）
図１３および図１４は、図４に示す高周波電線１０Ａを用いた高周波コイルの例であり、ここに示す高周波コイル７０には、胴部７１と、その両端に形成された鍔部７２とを有する支持体７３が用いられている。
高周波電線１０Ａは、胴部７１に巻きつけられている。

（高周波電線の製造方法）
＜母材の作製工程＞
次に、高周波電線１０の製造方法の一例について説明する。なお、以下に示す製造方法は一例であり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の実施の形態に係る高周波電線は、ここに例示した方法以外の製造方法により製造することもできる。

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる中心導体を用意する。この中心導体を、管状の軟磁性層体に挿通することなどによって、中心導体と、これを包囲する軟磁性層体とを有する電線母材を得る。
なお、電線母材の作製に用いる軟磁性層体は、管体以外の形態であってもよい。

＜伸線工程＞
次に、電線母材を、１または複数の伸線ダイスを通すことにより伸線する。
図２は、本実施形態の製造方法に適用可能な伸線ダイス２０を示すものであって、伸線ダイス２０は、エントランス部２１、アプローチ部２２、リダクション部２３、ベアリング部２４およびバックリリーフ部２５を備えている。
伸線ダイス２０は、エントランス部２１からリダクション部２３にかけて徐々に内径が小さくなる筒状体である。
リダクション部２３内面の、中心軸に対する傾斜角度であるリダクション角度α１は、例えば８°程度とすることができる。

電線母材の断面積と、ベアリング部２４の内部空間の断面積とによって算出される減面率（電線母材の伸線前後の断面積差／電線母材の伸線前の断面積）は、２０％以上、例えば２０〜２９％とすることができる。１度の伸線における減面率がこの範囲であれば、同一方向の大きなせん断応力を持続して発生させることができる。

電線母材４は、エントランス部２１、アプローチ部２２を経てリダクション部２３に導入され、リダクション部２３において伸線前の直径ｄ１より小さい直径ｄ２に加工される。
この伸線工程は１回のみであってもよいが、内径寸法が異なる他の伸線ダイス２０を用いて、複数回にわたり伸線工程を行うことによって、減面率を高めることができる。例えば、複数の伸線ダイス２０を用いて段階的に伸線を行うことができる。
累積減面率は、例えば、７０％以上とすることができる。
これによって、確実かつ容易に、中心導体１の長手方向に沿う繊維状組織を有する軟磁性層２を形成することができる。

伸線ダイス２０を用いた伸線工程では、軟磁性層２だけでなく中心導体１に繊維状組織が形成されてもよい。

高周波電線１０は、軟磁性層２が、中心導体１の長手方向に沿う繊維状組織を有しており、磁性層中の粒界が多く転位密度が高いため、結果として軟磁性層２における抵抗率は高くなる。このため、外部磁界により発生する渦電流を抑え、近接効果を低減することができる。

図３は、累積減面率と、軟磁性層２の抵抗率との関係を示すグラフである。この図に示すように、累積減面率が高くなって軟磁性層２に繊維状組織が形成されると、抵抗率が増加する。
抵抗率が増加すれば渦電流は発生しにくくなるため、近接効果は低減すると考えられる。
また、磁性層の抵抗率が高いほど渦電流損による交流抵抗の上昇が抑制されることは、次の文献に報告されている。
COMPEL-THE INTERNATIONAL JOURNAL FOR COMPUTATION AND MATHEMATICS IN ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING.28(1)：57-66(2009), Mizuno et.al.,

また、高周波数で用いるコイルにおいては、近接効果による交流損失が大きくなるが、本実施形態の高周波電線１０では、中心導体１にアルミニウム（またはアルミニウム合金）が用いられているため、中心導体１に銅などを用いる場合に比べ、近接効果の影響を抑えることができる。

高周波変圧器、高速モータ、リアクトル、誘電加熱装置、磁気ヘッド装置および非接触給電装置等の、数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ程度の高周波電流を通電する機器で使用される高周波電線においては、交流損失低減を目的として、巻線の細径化が図られたり、リッツ線が採用されることがある。
しかし、接続のためのハンダ処理において絶縁皮膜の除去作業の手間や、伸線限界などの理由により、細径化には限度がある。
これに対して、本実施形態の高周波電線１０によれば、素線径が太く素線数が少ないリッツ線を採用したとしても損失低減を図ることができる。

（実施例１）
図１に示す高周波電線１０を、次のようにして作製した。
アルミニウムからなる中心導体（外径９ｍｍ）を、鋼管（軟磁性層体）（内径１０ｍｍ、外径１２ｍｍ）に挿通し、電線母材４を得た。
図２に示すように、電線母材４を、複数の伸線ダイス２０に通して段階的に伸線を行い、高周波電線１０を得た（軟磁性層２の外径２．１ｍｍ、中心導体１の外径１．９ｍｍ）。
図５（ａ）は軟磁性層２のＳＥＭ写真であり、図５（ｂ）は図５（ａ）を拡大したＳＥＭ写真である。
この図より、アスペクト比が「５／１」を越える結晶粒が複数確認できたため、軟磁性層２は中心導体１の長手方向に沿う繊維状組織を有することが確認された。
この高周波電線１０の中心導体１および軟磁性層２について、固有抵抗を次のようにして算出した。
高周波電線１０の軟磁性層２と同じ材料の単体の中心導体を、伸線工程によって減面し、固有抵抗を測定した。この値を軟磁性層２の固有抵抗として表１に示した。
次いで、（複合材である）高周波電線１０の固有抵抗を測定し、この値から前述の軟磁性層２の固有抵抗を差し引いた値を、中心導体１の固有抵抗として表１に示した。

（比較例１）
アルミニウムからなる中心導体と、鉄からなる軟磁性層とを有する高周波電線を作製し、軟磁性層の再結晶温度以上で熱処理を行った。
軟磁性層には、長手方向に沿う繊維状組織が確認されなかった。
実施例１と同様の手法により、中心導体と軟磁性層の固有抵抗を測定した。結果を表１に示す。

表１より、実施例１では、比較例１に比べて、軟磁性層２の固有抵抗を高めることができたことがわかる。

（実施例２）
実施例１と同様にして得た電線母材４を複数の伸線ダイス２０に通して段階的に伸線を行い、高周波電線１０を得た。高周波電線１０の外面に絶縁被覆層３を形成することによって、図４に示す高周波電線１０Ａを得た。軟磁性層２の厚みは３μｍであり、軟磁性層２の外径は１２６μｍであり、中心導体１の外径は１２０μｍである。
図１２に示すように、高周波電線１０Ａを素線として用いたリッツ線６０を作製した。リッツ線６０を構成する高周波電線１０Ａの数は１５００本であり、リッツ線６０の線長は２１ｍである。
図１５に示すように、リッツ線６０を用いてコイル８０を作製した。コイル８０のターン数は１６である。インダクタンスは１．１８×１０^−４Ｈである。
コイルを構成する導線の単位長さ当りの交流抵抗は、国際公開２０１３／０４２６７１の段落００４１および段落００７０によれば、例えば次式のように表すことができる。
Ｒ_ａｃ＝Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｐ
Ｒ_ｓ（Ω／ｍ）は表皮効果による単位長さ当りの高周波抵抗であり、Ｒ_ｐ（Ω／ｍ）は近接効果による単位長さ当りの高周波抵抗である。またＲ_ｐは外部磁界の強さを表す形状因子α（１／ｍ）の２乗に比例する値である。
Ｒ_ｐ＝α^２Ｄ_ｐ
Ｄ_ｐ（Ω・ｍ）は近接効果による単位長さ辺りの高周波損失を表す。
この例のコイル８０における形状因子αは９０ｍｍ^−１である。
コイル８０について、交流周波数（横軸）と交流抵抗（縦軸）との関係をシミュレーションにより調べた結果を図１６に示す。

（比較例２）
高周波電線１０に代えてＣｕ線（外径１２０μｍ）を用いること以外は実施例２と同様にして図１２に示すリッツ線６０を作製し、このリッツ線６０を用いて、図１５に示すコイル８０を作製した。その他の仕様は実施例２と同様とした。
コイル８０について、交流周波数と交流抵抗との関係をシミュレーションにより調べた結果を図１６に示す。

（比較例３）
高周波電線１０に代えてＡｌ線（外径１２０μｍ）を用いること以外は実施例２と同様にして図１２に示すリッツ線６０を作製し、このリッツ線６０を用いて、図１５に示すコイル８０を作製した。その他の仕様は実施例２と同様とした。
コイル８０について、交流周波数と交流抵抗との関係をシミュレーションにより調べた結果を図１６に示す。

図１６に示すように、Ａｌからなる中心導体１とＦｅを含む軟磁性層２とを備えた高周波電線１０を用いる実施例２では、Ｃｕ線またはＡｌ線を用いる比較例２、３に比べて、７０ｋＨｚ以上の周波数帯において、交流抵抗が低くなる結果が得られた。

上述の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。

本発明の高周波電線および高周波コイルは、高周波変圧器、モータ、リアクトル、チョークコイル、誘導加熱装置、磁気ヘッド、高周波給電ケーブル、ＤＣ電源ユニット、スイッチング電源、ＡＣアダプタ、渦電流検出方式等の変位センサ・探傷センサ、ＩＨクッキングヒータ、コイル、給電ケーブル等の、非接触給電装置または高周波電流発生装置等の種々の装置の製造業を含む電子機器産業に利用可能である。

１…中心導体、２…軟磁性層（磁性層）、１０…高周波電線、６０…リッツ線、７０…高周波コイル。

Claims (8)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる中心導体と、
   前記中心導体を被覆する磁性層と、を備え、
   前記磁性層は、前記中心導体の長手方向に沿う繊維状組織を有することを特徴とする高周波電線。
2. 前記磁性層は、鉄または鉄合金からなることを特徴とする請求項１に記載の高周波電線。
3. 前記磁性層の体積抵抗率は、前記中心導体の体積抵抗率より高いことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波電線。
4. 前記磁性層の外面側に、絶縁被覆層を有することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の高周波電線。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の高周波電線が複数撚り合わされたことを特徴とするリッツ線。
6. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の高周波電線を使用したことを特徴とする高周波コイル。
7. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる中心導体と、前記中心導体を被覆する磁性層と、を備えた電線母材を、１または複数のダイスを用いて伸線することにより、前記磁性層が前記繊維状組織を有する高周波電線を得ることを特徴とする高周波電線の製造方法。
8. 前記電線母材を伸線する際の累積減面率は、７０％以上であることを特徴とする請求項７に記載の高周波電線の製造方法。