JP5162712B2 - 電線の製造方法及び電線の設計方法 - Google Patents
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Description
<電線の構造>
本発明の第1の実施の形態に係る電線は、図1(a)に示すように、特定の周波数帯域で使用される電線であって、銅よりも体積抵抗率が高い材料からなる導体部11を備える。本発明の第1の実施の形態に係る電線において、特定の周波数帯域における基準とするCu線の近接効果による交流抵抗に対する導体部11の近接効果による交流抵抗の比が1未満となるように、導体部11の体積抵抗率が規定されている。
Rac=(1+ks)Rdc+Rp
=Rs+Rp …(1)
ここで、ksは表皮効果係数を表す。
となる。
は式(22)の磁界を与える。
ただし、μ0は真空中の透磁率を表す。
図9に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る黄銅線、リン青銅線、ケイ素青銅線及び比較例に係るCu線の外部磁界強度Hが1(A/mm)における近接効果による交流抵抗を、上述した式(48)を用いて計算により求めた。図9から、所定の周波数帯域において、黄銅線、リン青銅線、ケイ素青銅線の交流抵抗がCu線の交流抵抗よりも小さくなることが分かる。
本発明の第1の実施の形態に係る電線の設計装置は、図16に示すように、中央処理装置(CPU)110、記憶装置111、入力装置112及び出力装置113を備える。
本発明の第1の実施の形態に係る電線の設計装置を用いた設計方法を含む高周波電線の製造方法の一例を、図17のフローチャートを用いて説明する。なお、ここではCCA線の製造方法を説明するが、これに特に限定されないことは勿論である。
図17に示した一連の手順、即ち:(イ)特定の周波数帯域における電線の候補となる導体部11の近接効果による交流抵抗、及び特定の周波数帯域における基準とするCu線の近接効果による交流抵抗をそれぞれ計算するステップ;(ロ)基準とするCu線の近接効果による交流抵抗に対する導体部の近接効果による交流抵抗の比を計算するステップ;(ハ)比に基づいて候補を電線に適用可能か判定するステップ等は、図17と等価なアルゴリズムのプログラムにより、図16に示した電線の設計装置を制御して実行できる。
<電線の構造>
本発明の第2の実施の形態に係る電線は、特定の周波数帯域で使用される電線であって、図18に示すように、アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金からなる中心導体21と、中心導体21を被覆する銅(Cu)からなる被覆層22とを備えるCCA線である。本発明の第2の実施の形態に係る電線は、電線の交流抵抗と、電線と同じ線径を有するCu線の交流抵抗とがそれぞれ一致する第1の周波数及び第2の周波数の間に規定され、且つ電線の交流抵抗がCu線の交流抵抗よりも大きい周波数帯域内に、特定の周波数帯域が収まる。
本発明の第2の実施の形態に係る電線の設計装置は、図23に示すように、中央処理装置(CPU)210、記憶装置211、入力装置212及び出力装置213を備える。
本発明の第2の実施の形態に係る電線の設計装置を用いた電線の設計方法を含むCCA素線の製造方法の一例を、図24のフローチャートを用いて説明する。
図24に示した一連の手順、即ち:(イ)複数の周波数に応じて、CCA線の交流抵抗及びCCA線と同じ線径を有するCu線の交流抵抗を複数の線径毎に計算するステップ;(ロ)複数の線径毎に、CCA線の交流抵抗とCu線の交流抵抗が一致し、且つ互いの間でCCA線の交流抵抗がCu線の交流抵抗よりも小さくなる第1の周波数f11,f21,f31及び第2の周波数f12,f22,f32を抽出するステップ;及び(ハ)複数の線径のうち、抽出された第1の周波数f11,f21,f31及び第2の周波数f12,f22,f32の間に規定される周波数帯域B1,B2,B3が、CCA線を使用する特定の周波数帯域内に収まるような第1の周波数f11,f21,f31及び第2の周波数f12,f22,f32に対応する線径を抽出するステップ;等は、図24と等価なアルゴリズムのプログラムにより、図23に示した電線の設計装置を制御して実行出来る。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る電気モータについて説明する。インバータ装置などを用いて回転速度やトルクを調整する電気モータは高効率であり、鉄道車両や電気自動車の駆動、家電分野でインバータエアコンなど広範囲の分野に使われている。
Rac=Rs+α2Pp …(49)
ただし、Rs(単位は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、Pp(単位はΩ・m)は近接効果による単位長さ当りの高周波損失であり、α(単位は1/m)はコイルの形状に依存する形状因子(構造因子)である。αは、ほぼ周波数に依存しない定数であり、コイルの巻き線が密に巻けば大きくなり、また巻く導線が長いほど大きくなる。αは必要とする電気モータの出力などに依存するが、変化するものである。
本発明の第2の実施の形態の第1の実施例に係る電気モータ(三相交流同期モータ)は、図25に示すように、円心状に配置された複数の鉄心221と、Al線又はCCA線からなる電線222が複数の鉄心221に巻かれた複数のコイル223と、複数のコイル223に電流を印加することにより回転する回転子224とを備える。複数の鉄心221、複数のコイル223及びコイル保持部20等により固定子が構成される。
ただし、fnはn次高周波成分の周波数である。
本発明の第2の実施の形態の第2の実施例に係る電気モータ(三相交流同期モータ)は、図40に示すように、円心状に配置された複数の鉄心221と、Al線又はCCA線からなる電線222が複数の鉄心221に巻かれた複数のコイル223と、複数のコイル223に電流を印加することにより回転する回転子224とを備える。
本発明の第2の実施の形態の第3の実施例に係る電気モータ(三相交流同期モータ)は、図49に示すように、複数の鉄心221と、Al線又はCCA線からなる電線222が複数の鉄心221に巻かれた複数のコイル223と、複数のコイル223に電流を印加することにより回転する回転子224とを備える。
<電線の構造>
本発明の第3の実施の形態に係る電線は、図58(a)に示すように、銅よりも体積抵抗率が高い材料からなる導体部31を備える。本発明の第3の実施の形態に係る電線においては、電線の交流抵抗と、電線と同じ線径を有するCu線の交流抵抗とがそれぞれ一致し、互いの間において電線の交流抵抗がCu線の交流抵抗よりも小さい第1の周波数及び第1の周波数より大きい第2の周波数のうち、第2の周波数が特定の周波数帯域の上限値以上となるように、導体部31の体積抵抗率を断面積で除した単位長さ当たりの直流抵抗値が規定されている。
本発明の第3の実施の形態に係る電線の設計装置は、図63に示すように、中央処理装置(CPU)310、記憶装置311、入力装置312及び出力装置313を備える。
本発明の第3の実施の形態に係る電線の設計装置を用いた設計方法を含む高周波電線の製造方法の一例を、図64のフローチャートを用いて説明する。なお、ここではCCA線の製造方法を説明するが、これに特に限定されないことは勿論である。
図64に示した一連の手順、即ち:(イ)高周波電線の材料、形状及び線径等の組み合わせからなる線種毎に単位長さ当たりの直流抵抗値を計算するステップ;(ロ)電線の交流抵抗と、電線と同じ線径を有するCu線の交流抵抗とがそれぞれ一致し、互いの間において電線の交流抵抗がCu線の交流抵抗よりも小さい第1の周波数及び該第1の周波数より大きい第2の周波数のうち、第2の周波数を特定の周波数帯域の上限値以上の値に設定するステップ;(ハ)第2の周波数から、基準直流抵抗値を計算するステップ;(ニ)基準直流抵抗値に応じて電線の種類を決定するステップ等は、図64と等価なアルゴリズムのプログラムにより、図63に示した電線の設計装置を制御して実行出来る。
<高周波電線の構造>
本発明の第4の実施の形態に係る高周波電線は、10kHz〜1MHz程度の周波数帯域で使用される電線であって、図65に示すように、銅よりも体積抵抗率の高い銅合金を導体部41とする。
第1の実施例として、本発明の第4の実施の形態に係る高周波電線の磁界強度分布及び損失分布の測定結果を説明する。図69及び図70に、比較例として、外部磁界強度を1A/mmとして、半径0.2mmのCu線に100kHzを印加したときのCu線のy軸に沿った磁界強度分布及び損失分布をそれぞれ示す。図71及び図72に、本発明の第4の実施の形態に係る高周波電線として、外部磁界強度を1A/mmとして、半径0.2mmのケイ素青銅線に100kHzを印加したときのケイ素青銅線のy軸に沿った磁界強度分布及び損失分布をそれぞれ示す。図71と図69とを対比すると、ケイ素青銅線の表層付近の磁界強度がCu線の場合よりも弱いことが分かる。また、図72と図70とを対比すると、ケイ素青銅線の渦電流による損失がCu線の場合と比較して小さくなることが分かる。
第2の実施例として、図77に、外部磁界強度Hを1(A/mm)として計算した本発明の第4の実施の形態に係る黄銅線、リン青銅線、ケイ素青銅線及び比較例に係るCu線の交流抵抗(近接効果成分)を示す。図77から、所定の周波数帯域において、黄銅線、リン青銅線、ケイ素青銅線の交流抵抗がCu線の交流抵抗よりも小さくなることが分かる。
第3の実施例として、本発明の第4の実施の形態に係る高周波電線である黄銅線、リン青銅線、ケイ素青銅線及び比較例に係るCu線について、直径0.4mmの素線を14本用いて、80ターンでリアクトルをそれぞれ作製した。リアクトルの交流抵抗を1本当たりの単位長さで表した測定結果を図9に示す。図9において、黄銅線、リン青銅線、ケイ素青銅線の交流抵抗がCu線の交流抵抗よりも、小さくなることが分かる。また、図77に示した素線の場合と比較すると、リアクトルの場合の交流抵抗の抑制効果がより大きいことが分かる。
第4の実施例として、本発明の第4の実施の形態に係る黄銅線及び比較例に係るCu線について、図10に示すように直径0.4mm、長さ6.6mの素線を55本用いて、17ターンでリッツ線構造とし、IH調理器用の磁場発生コイルを作製し、それらについて特性確認試験を行った。試験結果を図11及び図12に示す。IH調理器には、一般的に20kHz〜60kHz程度の高周波電流が使用されるが、20kHz〜60kHz程度を含む周波数帯域では、黄銅線の交流抵抗がCu線の交流抵抗よりも小さくなるのが分かる。
次に、本発明の第4の実施の形態に係る高周波電線の製造方法の一例を説明する。なお、以下に示す製造方法は一例であり特に限定されるものではない。本発明の第4の実施の形態に係る高周波電線は種々の製造方法により製造することが可能である。
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
12,21,32…中心導体
13,22,33…被覆層
20…コイル保持部
21…鉄芯
101…抵抗計算部
102…比計算部
103…判定部
110,210,310…CPU
111,211,311…記憶装置
112,212,312…入力装置
113,213,313…出力装置
201…交流抵抗計算部
202…周波数抽出部
203…線径抽出部
221…鉄心
222…電線
223…コイル
224…回転子
301…固有抵抗計算部
302…周波数設定部
303…目標抵抗計算部
304…線種選択部
Claims (4)
- 銅よりも体積抵抗率が高い材料からなる導体部を備える電線の製造方法であって、
前記電線の交流抵抗値、並びに前記電線と同じ線径及び同じ長さからなる銅線の交流抵抗値を、複数の周波数に応じて、複数の線径毎に計算し、前記電線の交流抵抗値が前記銅線の交流抵抗値に一致する第1の周波数と、前記第1の周波数よりも周波数が大きく、前記電線の交流抵抗値が前記銅線の交流抵抗値に一致する第2の周波数を前記複数の線径毎に抽出し、前記第1の周波数と前記第2の周波数の間において前記電線の交流抵抗値が前記銅線の交流抵抗値よりも小さく、前記電線が使用される周波数帯域が1kHz〜1MHzであり、前記複数の線径のうち、前記第1の周波数から前記第2の周波数までの周波数帯域に、前記電線が使用される周波数が収まるような線径を抽出するステップと、
前記抽出した線径で前記電線を製造するステップ
とを含み、前記導体部が、黄銅、リン青銅、ケイ素青銅、銅・ベリリウム合金及び銅・ニッケル・ケイ素合金から選ばれる銅合金、アルミニウム並びに銅被覆アルミニウムのいずれかからなることを特徴とする電線の製造方法。 - 前記電線が使用される周波数が、前記電線に使用する交流電流の基本波の周波数から20次までの高調波の周波数を含むことを特徴とする請求項1に記載の電線の製造方法。
- 前記導体部の線径が、0.05mm〜0.6mmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の電線の製造方法。
- 銅よりも体積抵抗率が高い材料からなる導体部を備える電線の設計方法であって、
前記電線の交流抵抗値、並びに前記電線と同じ線径及び同じ長さからなる銅線の交流抵抗値を、複数の周波数に応じて、複数の線径毎に計算するステップと、
前記電線の交流抵抗値が前記銅線の交流抵抗値に一致する第1の周波数と、前記第1の周波数よりも周波数が大きく、前記電線の交流抵抗値が前記銅線の交流抵抗値に一致する第2の周波数を前記複数の線径毎に抽出するステップと、
前記第1の周波数と前記第2の周波数の間において前記電線の交流抵抗値が前記銅線の交流抵抗値よりも小さく、前記電線が使用される周波数帯域が1kHz〜1MHzであり、前記複数の線径のうち、前記第1の周波数から前記第2の周波数までの周波数帯域に、前記電線が使用される周波数が収まるような線径を抽出するステップ
とを含み、前記導体部が、黄銅、リン青銅、ケイ素青銅、銅・ベリリウム合金及び銅・ニッケル・ケイ素合金から選ばれる銅合金、アルミニウム並びに銅被覆アルミニウムのいずれかからなることを特徴とする電線の設計方法。
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