JP2016137513A - 平角線の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被膜層の劣化を抑制し、絶縁低下を小さく抑えて丸線素材から平角線を製造することができる平角線の製造方法を提供すること。
【解決手段】平角線１の製造方法においては、圧延工程及び伸長工程を行って、丸線素材から平角線１を成形する。圧延工程においては、導通性の導体層２と導体層２の表面に形成された絶縁性の被膜層３とからなる断面円形状の丸線素材を、回転する複数の第１ロール間に通す。そして、丸線素材を、所望のアスペクト比を有する断面扁平形状の平角線１に圧延する。伸長工程においては、アスペクト比を維持して平角線１を伸長させ、平角線１を、必要とする断面積に成形する。
【選択図】図４

Description

本発明は、丸線素材から平角線を製造する方法に関する。

電動機、発電機等の回転電機においては、ステータのスロットに配置するコイルを、断面矩形形状又は断面扁平形状の平角線から形成することが行われている。平角線は丸線に比べて高価であるため、コストの低減を目的として、丸線を圧延して平角線を成形することが知られている。例えば、特許文献１の平角線コイル製造装置及び平角線コイル製造方法においては、丸素線を平角成形ロールによって押し潰して、長方形の断面を有する平角線を成形することが記載されている。また、平角線を巻型に巻き取って、平角線コイルを成形することが記載されている。

特開２０００−８２６２８号公報

しかしながら、特許文献１においては、丸素線に圧延を行う際に、丸素線の絶縁被膜層（エナメル層）に大きな圧力が加わる。そして、絶縁被膜層が塑性変形して、その絶縁性が低下する。また、平角線を巻き取ってコイルを成形するときには、絶縁被膜層に加工のストレスが加わり、さらに平角線の絶縁低下を招く。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、被膜層の劣化を抑制し、絶縁低下を小さく抑えて丸線素材から平角線を製造することができる平角線の製造方法を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、導通性の導体層と該導体層の表面に形成された絶縁性の被膜層とからなる断面円形状の丸線素材を、回転する複数のロール間に通し、上記丸線素材を所望のアスペクト比を有する平角線に圧延する圧延工程と、
上記アスペクト比を維持して上記平角線を伸長させ、該平角線を、必要とする断面積に成形する伸長工程と、を含むことを特徴とする平角線の製造方法にある。

上記平角線の製造方法においては、圧延工程と伸長工程とを組み合わせることによって、被膜層に加わる圧力を低減して、必要とする平角線を製造する。
圧延工程においては、断面円形状の丸線素材を、回転する複数のロール間に通す。このとき、丸線素材には、ロールによる圧縮力と丸線素材を引っ張る手段による引張力とが作用する。そして、丸線素材の圧延は、所望のアスペクト比を有する平角線が形成されるまで行い、平角線の断面積を小さくし過ぎない程度に行う。ここで、アスペクト比とは、平角線の断面形状における、縦の長さと横の長さとの比のことをいう。

なお、平角線とは、互いに反対側に位置する一対の平面部を有している断面形状の線のことをいう。そして、平角線には、断面矩形形状を有するものだけでなく、断面扁平形状を有するものも含まれる。また、断面矩形形状には、断面長方形状だけでなく、断面正方形状も含まれる。

次いで、伸長工程においては、アスペクト比を維持して平角線を伸長させる。このとき、平角線には、丸線素材を引っ張る手段による引張力が作用し、ロールによる圧縮力は作用しない。これにより、被膜層に劣化が生じにくくすることができる。そして、被膜層が長手方向に重点的に引き延ばされ、平角線が、必要とする断面積に成形される。このとき、被膜層の厚みが減少するもののロールによる圧縮力は作用しないので、伸長工程における被膜層の厚みの減少率は、圧延工程における被膜層の厚みの減少率に比べて小さい。これにより、平角線における絶縁低下を小さく抑えることができる。

それ故、上記平角線の製造方法によれば、被膜層の劣化を抑制し、絶縁低下を小さく抑えて丸線素材から平角線を製造することができる。

実施例にかかる、丸線素材に圧延工程を行って、平角線を成形する状態を示す説明図。 実施例にかかる、平角線に伸長工程を行って、必要とする断面積に成形する状態を示す説明図。 実施例にかかる、圧延工程によって丸線素材から成形した平角線の断面を示す説明図。 実施例にかかる、伸長工程によって断面積が縮小された平角線の断面を示す説明図。 実施例にかかる、丸線素材に圧延工程を行って、平角線を成形する状態を示す説明図。 実施例にかかる、試験品及び比較品について、平角線の断面積の減少率と被膜層の厚みの変化との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、試験品及び比較品について、平角線の断面積の減少率と絶縁破壊電圧との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、試験品及び比較品について、平角線の断面積の減少率と部分放電開始電圧との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、圧延工程を行った被膜層のイメージを示す説明図。 実施例にかかる、伸長工程を行った被膜層のイメージを示す説明図。

上述した平角線の製造方法における好ましい実施の形態について説明する。
上記圧延工程を行った後であって上記伸長工程を行う前、及び上記伸長工程を行った後の少なくとも一方には、上記平角線の断面形状を整える整形工程を行うことができる。この整形工程においては、平角線における４つの角部を整形することができる。そして、平角線は、断面矩形形状（断面長方形状、断面正方形状）に整形することができる。
また、上記圧延工程においては、丸線素材の断面積の減少率が、圧延前の丸線素材の断面積を基準として６％以下の範囲内で、丸線素材を圧延することができる。また、上記伸長工程においては、平角線の断面積の減少率が、圧延前の丸線素材の断面積を基準として１２％以下の範囲内で、平角線を伸長することができる。

また、上記平角線は、互いに反対側に位置する一対の平面部と、該一対の平面部同士を繋ぐ一対の円弧部とによる断面扁平形状を有していてもよい。この場合には、圧延工程においては、丸線素材の両側に配置されたロールによって、丸線素材を一方向にのみ圧縮して、平角線を成形することができる。そのため、被膜層の劣化を効果的に抑制することができる。

また、上記平角線は、断面矩形形状を有していてもよい。この場合には、圧延工程においては、丸線素材の四方向に配置されたロールによって、丸線素材を二方向に圧縮して、平角線を成形することができる。

また、上記アスペクト比は、１：１〜１：６の範囲内にあることが好ましい。この場合には、平角線によって、回転電機のステータに配置するコイルを形成する際のアスペクト比として適切である。

以下に、平角線の製造方法にかかる実施例について、図面を参照して説明する。
本例の平角線１の製造方法においては、圧延工程及び伸長工程を行って、丸線素材１０から平角線１を成形する。圧延工程においては、図１に示すように、導通性の導体層２と導体層２の表面に形成された絶縁性の被膜層３とからなる断面円形状の丸線素材１０を、回転する複数の第１ロール４Ａ間に通す。そして、図３に示すように、丸線素材１０を、所望のアスペクト比を有する断面扁平形状の平角線１に圧延する。伸長工程においては、図２、図４に示すように、アスペクト比を維持して平角線１を伸長させ、平角線１を、必要とする断面積に成形する。なお、図１〜図４においては、圧延工程を行った後の平角線１を符号１Ａで示す。

以下に、本例の平角線１の製造方法について、図１〜図５を参照して詳説する。
本例の平角線１は、電動機、発電機、モータジェネレータ等として用いられる回転電機のステータに配置されるコイルに使用される。平角線１は、他の平角線１と接合してコイルの形状に形成される。平角線１は、互いに反対側に位置する一対の平面部１１と、一対の平面部１１同士を繋ぐ一対の円弧部１２とによる扁平形状を有している。一対の平面部１１は、断面扁平形状における一対の長辺部を構成し、一対の円弧部１２は、断面扁平形状における一対の短辺部を構成する。一対の平面部１１は、圧延工程において、互いに対向する一対の第１ロール４Ａによって圧縮される（押し潰される）ことによって形成される。一対の円弧部１２は、丸線素材１０の表面形状が残ったものである。

圧延工程においては、一対の第１ロール４Ａの間に、丸線素材１０を２回以上通すことによって、丸線素材１０を圧延することもできる。
なお、圧延工程においては、図５に示すように、互いに対向する一対の第１ロール４Ａと、一対の第１ロール４Ａに直交して配置された、互いに対向する一対の第２ロール４Ｂとを用いて、丸線素材１０を、一対の第１平面部１１Ａ及び一対の第２平面部１２Ａを有する断面矩形形状の平角線１に圧延することもできる。この場合、丸線素材１０を、一対の第１ロール４Ａ及び一対の第２ロール４Ｂの間に同時に通過させることができる。また、一対の第１ロール４Ａの間に丸線素材１０を通過させて平角線１に成形した後、この平角線１を一対の第２ロール４Ｂの間に通過させて、平角線１を断面矩形形状（断面長方形状、断面正方形状）に成形することもできる。

図３、図４に示すように、圧延工程において圧延された平角線１のアスペクト比は、１：１〜１：６の範囲内にある。アスペクト比は、断面扁平形状において、長辺部を構成する平面部１１の長さと、短辺部を構成する円弧部１２の直線長さとの比によって表される。

圧延工程においては、図１に示すように、引張手段５によって丸線素材１０の先端部１０１を引っ張りながら、丸線素材１０を、回転する一対の第１ロール４Ａの間に、丸線素材１０を長手方向Ｌに通過させる。このとき、丸線素材１０には、一対の第１ロール４Ａによる圧縮力と引張手段５による引張力とが作用する。そして、丸線素材１０の圧延は、所望のアスペクト比を有する断面扁平形状の平角線１が形成されるまで行い、平角線１の断面積を小さくし過ぎない程度に行う。本例においては、圧延前の丸線素材１０の断面積を基準として、丸線素材１０の断面積の減少率が６％以下の範囲内で、丸線素材１０を圧延する。

次いで、伸長工程においては、図２に示すように、引張手段５によって平角線１の先端部１０１を引っ張って、アスペクト比を維持して平角線１を伸長させる。このとき、平角線１には、引張手段５による引張力が作用し、一対の第１ロール４Ａによる圧縮力は作用しない。これにより、被膜層３に劣化が生じにくくすることができる。そして、被膜層３が長手方向Ｌに重点的に引き延ばされ、平角線１が、必要とする断面積に成形される。本例においては、圧延前の丸線素材１０の断面積を基準として、平角線１の断面積の減少率が１２％以下の範囲内で、平角線１を伸長する。

また、伸長工程においては、被膜層３の厚みが減少するものの第１ロール４Ａによる圧縮力は作用しないので、伸長工程における被膜層３の厚みの減少率は、圧延工程における被膜層３の厚みの減少率に比べて小さい。これにより、平角線１における絶縁低下を小さく抑えることができる。
また、平角線１を加工してコイルを形成する際に、曲げ、伸び等の加工ストレスが平角線１に加わって、被膜層３が劣化したとしても、コイル（被膜層３）に必要な絶縁性能を確保することができる。コイルは、平角線１を螺旋状に巻き取るとともに、平角線１同士を互いに接合して形成することができる。

それ故、本例の平角線１の製造方法によれば、被膜層３の劣化を抑制し、絶縁低下を小さく抑えて丸線素材１０から平角線１を製造することができる。

なお、圧延工程のみを行って必要とする断面積の平角線１を成形する場合に比べ、圧延工程と伸長工程とを行って必要とする断面積の平角線１を成形する場合には、次のメリットもある。
圧延工程のみを行う場合には、丸線素材１０から最終的な断面積の平角線１が成形される。そのため、平面部１１と円弧部１２との角部を小さくしようとする負荷が丸線素材１０に長時間加わり、角部の被膜層３が劣化しやすくなる。これに比べ、圧延工程及び伸長工程を行う場合には、必要とするアスペクト比の平角線１が成形された後に最終的な断面積の平角線１に引き伸ばされる。そのため、伸長工程を行う際に、平面部１１と円弧部１２との角部を小さくしようとする負荷が丸線素材１０に加わりにくくなり、角部の被膜層３が劣化しにくくなる。

（確認試験）
本確認試験においては、圧延工程及び伸長工程を行って丸線素材１０から平角線１を成形する場合（試験品Ｘ１）と、圧延工程のみを行って丸線素材１０から平角線１を成形する場合（比較品Ｘ２）とについて、被膜層３の厚みの変化及び絶縁性の変化を確認した。
図６には、試験品Ｘ１及び比較品Ｘ２について、圧延前の丸線素材１０の断面積からの、平角線１の断面積の減少率と、被膜層３の厚みの変化との関係を確認した結果を示す。試験品Ｘ１においては、断面積の減少率が約５％になるまで圧延工程を行い、その後、断面積の減少率が約１１％になるまで伸長工程を行った。一方、比較品Ｘ２においては、断面積の減少率が約１３％になるまで圧延工程を行った。なお、被膜層３の厚みは、複数個所の平均値とした。

同図において、比較品Ｘ２の場合は、断面積の減少率が増加するに従って、被膜層３の厚みが大幅に減少している。これに対し、試験品Ｘ１の場合は、圧延工程の後に伸長工程を行うことにより、断面積の減少率が約１１％になったときの被膜層３の厚みの減少が小さく抑えられている。
試験品Ｘ１の被膜層３の厚みが減少しにくい理由は、次のように考えられる。被膜層３は、ポリアミドイミド等の高分子の樹脂材料が繰り返し塗布されて重なった複数の塗布層３１によって構成されている（図９、図１０参照）。そして、被膜層３を長手方向Ｌとしての一方向のみに引っ張る場合には、被膜層３における各塗布層３１が任意の場所で長手方向Ｌに裂かれ、見かけ上の体積が増加したためであると考えられる。これにより、試験品Ｘ１の被膜層３の厚みが減少しにくくなったと考えられる。

図７、図８には、試験品Ｘ１及び比較品Ｘ２について、絶縁試験を行った結果を示す。
図７には、圧延前の丸線素材１０の断面積からの、平角線１の断面積の減少率と、電圧を上昇させていくときに絶縁破壊が生じた電圧である絶縁破壊電圧（ＧＢＤＶ）との関係を確認した結果を示す。絶縁破壊電圧は、被膜層３の厚みに大きく影響しており、突発的な電圧負荷に対する絶縁耐力を示すものである。同図において、比較品Ｘ２の場合は、断面積の減少率が増加するに従って、絶縁破壊電圧が減少し、被膜層３による絶縁耐力が大幅に減少している。これに対し、試験品Ｘ１の場合は、圧延工程の後に伸長工程を行うことにより、断面積の減少率が約１１％になったときの絶縁破壊電圧が高く維持されている。

図８には、圧延前の丸線素材１０の断面積からの、平角線１の断面積の減少率と、電圧を上昇させていくときに部分放電が生じた電圧である部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ）との関係を確認した結果を示す。部分放電開始電圧は、長期間使用するときの絶縁耐力を示すものである。同図において、比較品Ｘ２の場合は、断面積の減少率が増加するに従って、部分放電開始電圧が減少し、被膜層３による絶縁耐力が減少している。これに対し、試験品Ｘ１の場合は、圧延工程の後に伸長工程を行うことにより、断面積の減少率が約１１％になったときの部分放電開始電圧が高く維持されている。

このように、圧延工程のみによって丸線素材１０から平角線１を成形する比較品Ｘ２の場合に比べて、圧延工程及び伸長工程によって丸線素材１０から平角線１を成形する試験品Ｘ１の場合には、絶縁破壊電圧及び部分放電開始電圧ともに優れていることがわかった。以下に、この結果を考察する。

図９には、圧延工程を行った比較品Ｘ２（試験品Ｘ１）の被膜層３のイメージを示す。上述したように、被膜層３はポリアミドイミド等の高分子の樹脂材料から構成されており、被膜層３をミクロ的に観察すると、炭化水素による多数の高分子鎖３２が存在する。そして、圧延工程が行われる際には、被膜層３が長手方向Ｌと長手方向Ｌに直交する横方向Ｗとに引き伸ばされ、高分子鎖３２同士の間に大きな空隙３３ができやすくなると考えられる。また、被膜層３が長手方向Ｌ及び横方向Ｗに引き伸ばされることにより、高分子鎖３２が分断された部分が多く存在すると考えられる。

図１０には、伸長工程を行った試験品Ｘ１の被膜層３のイメージを示す。被膜層３の構造は圧延工程の場合と同様である。そして、伸長工程が行われる際には、被膜層３は長手方向Ｌのみに引き伸ばされ、高分子鎖３２同士の間にできる空隙３３は、圧延工程の場合に比べて大きくなりにくいと考えられる。また、被膜層３が長手方向Ｌにのみ引き伸ばされることにより、高分子鎖３２が分断されにくいと考えられる。

そして、高分子鎖３２同士の間に形成される空隙３３が大きく、高分子鎖３２に生じる分断が多くなるほど、絶縁破壊電圧及び部分放電開始電圧の値は減少すると考えられる。このことより、圧延工程及び伸長工程を行う試験品Ｘ１の被膜層３は、圧延工程のみを行う比較品Ｘ２の被膜層３に比べて、絶縁性（絶縁耐力）に優れていると言える。

１ 平角線
１０ 丸線素材
１１ 平面部
１２ 円弧部
２ 導体層
３ 被膜層
４Ａ，４Ｂ ロール
５ 引張手段

Claims (3)

1. 導通性の導体層と該導体層の表面に形成された絶縁性の被膜層とからなる断面円形状の丸線素材を、回転する複数のロール間に通し、上記丸線素材を所望のアスペクト比を有する平角線に圧延する圧延工程と、
   上記アスペクト比を維持して上記平角線を伸長させ、該平角線を、必要とする断面積に成形する伸長工程と、を含むことを特徴とする平角線の製造方法。
2. 上記平角線は、互いに反対側に位置する一対の平面部と、該一対の平面部同士を繋ぐ一対の円弧部とによる断面扁平形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の平角線の製造方法。
3. 上記平角線は、断面矩形形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の平角線の製造方法。

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