JP4884985B2 - 編組線でつくられた電流導体 - Google Patents

Description

本発明は、編組電線（braided wire）でつくられ、とくに高電流密度で用いることが予定されている電流導体（current conductor）に関するものである。

編組電線は、電線群（wire group）を編むことにより形成され、各電線群が、複数の薄い導電体の線材（エナメル線）で形成されているか、又は単一の線材のみで形成されている、閉じられた輪郭（profile）の横断面をもつ編まれた構造体を意味する。ここで、電線群は、所定の角度で互いに交差している。編組電線の本来の横断面は、大抵の場合は円形であるが、場合によっては長円形である。本来の横断面に垂直な力をかけることにより、しばしば、扁平な又は矩形の横断面をもつ製品が製造される。多層の製品、扁平な製品及び編まれた製品を製造する製造技術はよく知られている。

従来の編組電線においては、個々の線材は互いに絶縁されていない。そして、線材は、非常に多くの領域に沿って互いに接触する。編組電線は、基本線材（elemental strand）の表面被膜及び素材並びに断面の形状（円形、長円形、扁平形）により分類され、またこのように分類された編組電線の種の中では寸法により分類される。寸法による分類は、形状を特徴づけるデータ（例えば、幅及び高さ）、各電線群における個々の線材の量、電線群の量、及び、逆方向を向く（背向する）電線群の交差点間の長手方向に測定された距離などを含む。さらに挙げられる特徴は、全断面積、単位長さ当たりの電気抵抗、重量などであり、場合によっては許容電流密度である。

編組電線はまた、遮蔽されたケーブル（shielded cable）の遮蔽された套管（shielded sheath）を形成する。遮蔽体（shield）として予定されている電線（wire）は、一般的に、大電流を導入するためには用いられない。個々の線材の数及び寸法は、遮蔽（shielding）の質及び必要な機械的強度に関する要求のみに基づいて決定される。

もう１つの実用的な応用においては、編組電線は、撚電線（twisted wires）又は編組電線でつくられた大電流を流すケーブルの外側保持層を形成する。このような編組電線層の主な目的は、電流を流すことよりも、むしろ機械的な結合性（mechanical cohesion）を確実化することである。

もっぱら高電流密度の電流を流すために用いられる編組電線は、該編組電線の柔軟性（flexibility）ないしは柔軟性が要求される環境下においてのみの利用態様（application）であると思われる。これに関する典型的な利用態様は、電気モータのカーボンブラシのカップリング（coupling）である。このような目的のため、扁平な断面形状をもつ編組電線は、柔軟性を高めることを確実化するのに用いられる。

このほか、例えばスピーカのケーブルなど、編組電線の多数の利用態様が知られている。この場合、高い伝達周波数及び低い損失が主に考慮すべき事項であり、所定の温度上昇に関連する最大許容電流密度は要求される条件ではない。もう１つの具体例は、医療器械における柔軟性をもつカップリングの設置である。この場合も、最大電流密度の利点は重要性を有しない。

インターネットにおいて、とくに大手製造会社のホームページにおいては、編組電線に係る多数の情報を見出すことができる。典型例のアドレスは、次のとおりである。
www.newenglandwire.com/braidedwire.html 又は www.leoni.com.

貴金属製の編組電線（braid）の近年における使用形態の１つは、編組技術（braiding technology）によって宝石及びその部品を製作するファッション界において見出すことができる。

電気装置において、とくに大電流制御システムの場合は、制御される装置の主回路は大電流（１０Ａから１００００Ａまでの範囲）が負荷される。このため、内部抵抗ひいては損失が低い導電体が必要とされる。大電流は、しばしば、急峻な傾斜の上昇及び下降をもつ脈動電流として発生する。このような電流の正確な形状の（歪みのない）伝達のために、高周波領域においてでもその抵抗が十分に低い導電体が必要とされる。

バッテリ充電器の内部では、２点間の結合の柔軟性は要求されない電力変換器及びその他の電力電流装置、一般的にはバスバー（bus bar）が大電流を流すために用いられる。バスバーの場合、接続は、設定された過渡的な抵抗においてのみ得ることができる。さらに、実用上は強制される垂直な導電体の配列に起因して、バスバーの長さは、接続されるべき２つの点の間の距離より大きくなる。この状況は、装置の寸法を増加させ、さらに必要以上に大きい抵抗損失（ohmic losses）を生じさせる。

大電流を流すように設定された従来のワイヤの許容電流密度は、多数の因子により決定される。生成される熱の放出は表面を通してのみ起こることができるという事実、そして所定の単位長さ当たりの表面は直径に比例する（ただし直径の２乗の関数である）という事実、さらには生成される熱損失は断面積に比例するという事実に鑑みれば、許容電流密度は断面積の増加に伴って減少することになる。

断面積がある値に設定されれば、許容電流密度は、例えば、設定された外部温度と、環境温度に対して相対的に設定された導電体の温度上昇とに対して決定することができる。所定の環境下において編まれた外側層が設けられている銅の撚電線に関する許容電流密度についてのよく知られた表によれば、外部温度が３５℃であり導電体温度が７０℃である場合、断面積が２．５ｍｍ^２であるときの許容電流密度は１２Ａ／ｍｍ^２であり、断面積が５０ｍｍ^２であるときの許容電流密度はわずか５Ａ／ｍｍ^２である。

本発明の１つの目的は、同等の（comparable）温度上昇と同一の横断面積の下で、従来の電流導体に比べて、大幅に（好ましくは、少なくとも５０％）大きい電流を取り扱う（handle）ことができる電流導体を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、電流導体の柔軟性を高めること、すなわち、２点間を最短の経路に沿って配置することを確実化すること、さらには損失に関連する抵抗を比較的高い周波数まで許容可能な低い値に維持することを確実化することである。

本発明は、電流は有効な（available）横断面の一部分においてのみ有効に流れるので、固体状（solid）の導電体もしくは編まれた導電体において、又は、扁平な横断面をもつ編まれた導電体においては、基本的に平行又はほぼ平行な電流経路（current path）は、損失（loss）を低減する相互作用を生じさせる結果となるといった認識又は仮定に基づいている。

上記の仮定が正しい場合、適切に構成された編組電線においては、電線群又は１つの電線群に代わる単一の電線は以下のように案内（guide）されなければならない。すなわち、異なる電線群（group）に属する線材（strand）は、ある角度でのみ、便宜的には９０°の角度で、又は最大でも上記角度より±３０°ずれる（deviating）だけで互いに交差させるべきであり、あるいは互いに離間して配置すべきである。

離間して配置することを確実化するといった解決手段によれば、電線（wire）の対向する表面を互いに離間させるために、編組電線の内側に挿入部材（insert）を設けるのが有利である。この挿入部材は、便宜的に、円形又は楕円形の断面をもつものであってもよい。

電流の伝達の観点からは、電線群の基本線材（elemental strand）を互いに絶縁するのが有利である。このためには、線材に適切な絶縁被膜（insulating coating）、好ましくは従来のエナメル絶縁物を設ければよい。

電流密度及び横断面が大きい場合、挿入スペーサ（spacer insert）は、その内部を冷却液が流通することができる管状部材（tube）であってもよい。このような場合、挿入スペーサの壁部は、薄いのが好ましく、また高い熱伝導特性を有するのが好ましい。

本発明により構成された編組電線は、同一の材料及び横断面積を有する従来の最良の編組電線に比べて、大幅に大きい電流密度の電流を流すことができるということが見出された。さらに、脈動の制御時に発生する急峻な信号を歪ませることはなく、また感知できるほどには周波数依存性の損失を生じさせないということも見出された。

以下、添付の図面を参照しつつ、典型的な実施の形態を説明することにより、本発明をより詳細に説明する。

図１〜図３に示す編組電線１０（braided wire）の編組物（braid）は、９０°で互いに交差する電線群１１（groups）からなり、エナメル加工が施され、又はその他の手法で絶縁された、銅からなる平行な基本線材（elemental strand）で形成されている。編組電線１０の個々の電線群は、それぞれ、図中に示しているように、単一の導電体で構成することができる。編組電線１０は、円形の断面を有している。図２に示すように、この断面の領域にはスペーサ１２が充填されている。このスペーサ１２は、押し出し材（extruded material）、発泡ポリエチレン、テトラフルオロエチレン、又は、ケーブル又は電線（wire）の製造において従来用いられているその他の任意の柔軟性ないしは可撓性を有する材料（flexible material）で形成することができる。図３に示すように、スペーサ１２は中空であるのが有利である。そして、その空隙部１３は、冷却液を流す（conduct）ように構成されている。このような解決手段（solution）は、寸法がかなり大きい場合にのみ必要とされる。

図４は、編組電線１０の編組物を詳細に示している。編組物の電線群１１ａ及び電線群１１ｂは、互いに９０°で交差している。電線群１１ａ及び電線群１１ｂは、それぞれ、単一の導電体の線材（strand）で構成されている。

編組電線１０を通って流れている電流に関する限り、スペーサ１２の内側の構造は、最大でも、さほど直径が大きくない導電体、すなわち２０ｍｍ^２未満の導電体において、冷却条件に影響を及ぼすだけであるという事実に鑑みれば、スペーサ１２の内側に、単極誘導（single-lead）又は多極誘導（multi-lead）の導電体を収容してもよい。これらの導電体は、その流れ（travel）が編組電線１０内に生じる損失に係る熱と比べて、熱の生成を生じさせない弱電流信号を取り扱うことができる。

図１に示す構造の実用上の具体例においては、外直径は３ｍｍの寸法であり、基本線材（elemental strand）は、絶縁されていない銅線であった。これらの線材から、それぞれ０．２５ｍｍ^２の断面積をもつ１０個の電線群が形成された。かくして、具体例に係る編組電線１０は、合計で２．５ｍｍ^２の直径（diameter）を有していた。スペーサ１２は、発泡ポリエチレンであった。５０Ａの電流が編組電線１０を通って流れたときの外側の温度は３５℃であった。編組電線１０の温度が測定され、その安定した温度は３℃高いだけであるということが見出された。かくして、＋３℃の温度上昇に係る電流密度は２０Ａ／ｍｍ^２であった。これは、同一の断面に係る通常の３０Ａの電流の場合に比べて、大幅に大きい値（６６％）である。しかしながら、この温度上昇は、３５℃ではなく、その１０分の１未満だけであった。

もう１つの実験においては、脈動バッテリ充電器（pulsing battery charger）の主電流回路が、本発明に係る編組電線１０で形成された。脈動（pulses）の形態は、６０Ａｈの容量のバッテリの端子と、充電操作を行っている制御回路の出力部とにおいて、多重光線オシロスコープ（multi-ray oscilloscope）によって観察された。これらの２つの観察点は、具体例で説明した０．５ｍの長さの編組電線１０によって接続された。２つの信号を重ね合わせたところ、最も急峻な部分（steepest portion）でも、形状のずれ（deviation）は認めることができなかった。編組電線１０は、感知できるほどには温度が上昇しなかった。すなわち、温度上昇（heat up）の範囲は前記のとおり、３℃の範囲内であった。これとは対照的に、編組電線１０を、同一の直径をもつ従来の撚電線（twisted wire）と取り替えたものでは、電線の温度は上昇し、上昇部分に沿った２つの信号の形態の間には目に見えるずれを観察することができた。

本発明に係る解決手段は、前記の本来の仮定（original assumption）を実証しているようにみえる。極めて大きい電流密度は、電力電流装置（power-current device）の構造に新規な展望を開くものである。このような展望は、寸法及び損失の低減、及び組立体（assembly）の簡素化をもたらすとともに、制御における信号の形状の忠実度（fidelity）の増加をもたらす。本発明に係る編組電線は、従来の電線の場合に比べて、低コストで生産することができる。さらに編組技術（braiding technology）は、よく知られているとともに、装置によく用いられている。同時に、同一の目的のために用いる電線の量はより少なく、これは材料の大幅な節約をもたらすことを意味する。

本発明に係る編組電線で形成された電流導体の単純化された正面立面図である。 図１に示す電流導体の側面立面図である。 代替的な実施の形態の側面立面図である。 拡大されかつ展開された編組の詳細な図である。

符号の説明

１０ 編組電線、１１ 電線群、１１ａ 電線群、１１ｂ 電線群、１２ スペーサ、１３ 空隙部。

Claims (8)

1. 編組電線でつくられるとともに、ある角度で互いに交差している電線材からなる編まれた電線群で形成されている電流導体であって、
   互いに交差している電線群（１１、１１ａ、１１ｂ）の相互間の交差角度が９０°±３０°であって、
   上記電線群が、閉じられた横断面の輪郭をもち、
   上記輪郭の形状を保つ挿入スペーサ（１２）が上記断面内に配置され、
   各電線群中における上記電線材は互いに絶縁され、
   上記の編まれた電線群は、上記挿入スペーサ（１２）の外表面を連続的に被覆していることを特徴とする電流導体。
2. 上記電線群の各々が単一の線材を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電流導体。
3. 上記電線群の各々が複数の平行な基本線材を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電流導体。
4. 上記基本線材がエナメルの絶縁物を備えていることを特徴とする、請求項３に記載の電流導体。
5. 上記挿入スペーサ（１２）が円形又は楕円形の断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の電流導体。
6. 上記挿入スペーサ（１２）が内側空隙部（１３）を有する管状部材であることを特徴とする、請求項１に記載の電流導体。
7. 上記挿入スペーサ（１２）の内側空隙部（１３）を冷却液が通って流れることができることを特徴とする、請求項６に記載の電流導体。
8. 上記挿入スペーサ（１２）の内側空隙部（１３）内に追加の導体又は追加の電線が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電流導体。

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