JP5524271B2 - 平角線材及び平角線材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、平角線材及び平角線材の製造方法に関し、特に、導体が複数に分割されている導体分割型の平角線材及び平角線材の製造方法に関する。

従来、電気自動車用モーターや電磁機械器具用コイルの高効率化を図るために、損失の発生を抑制できる巻線（マグネットワイヤー）が求められている。
コイルの性能を向上させる一つの手法として、コイルの横断面における占積率（コイル断面積に占める導体断面積の割合）を向上させる手法が知られている。この占積率を向上させるためには、断面が矩形状の平角線材を巻線として用いることが有効である。しかし、平角線材を巻線として適用すると、導体断面積が増加することでジュール損を低減できるが、漏れ磁束による渦電流損失が増大する。

そこで、平角線材の導体を複数に分割した導体分割型の平角線材が提案されている（例えば特許文献１、２）。特許文献１には、複数本の素線を撚り合わせたリッツ線を、矩形孔を有するダイスを用いた引抜加工により平角形状に成形し、その外周面に外部絶縁層を形成した平角線材が開示されている。また、特許文献２には、矩形状に成形した複数本の導体をｍ行×ｎ列に並べて結着樹脂で結着した平角線材が開示されている。
特許文献１、２に記載の導体分割型の平角線材は、占積率を確保できるとともに、コイルの横断面において導体が分割されているので渦電流損失の低減を図ることができる。したがって、コイルの高効率化を見込める線材として期待される。

また最近では、パイプ状の外部導体（例えば銅パイプ）にリッツ線等の集合線材を挿入した状態で引抜加工を行い、さらに外部導体の外周面に外部絶縁層を形成した平角線材も開発されている。このような平角線材は、集合線材の外周が外部導体で覆われているので、平角形状に成形する工程で集合線材がばらけることはなく、導体分割型の平角線材を容易に製造できるという利点がある。

特開２００９−１９９７４９号公報 特開２００７−２２７２４２号公報

上述した導体分割型の平角線材をコイル等に適用する場合、電源を接続するために、平角線材の端部には電源リードが接続される。一般には、平角線材と電源リードは、端部（接続部）から所定の長さ（例えば数ｃｍ〜数十ｃｍ）で絶縁層を除去し、この部分を重ね合わせて溶接することにより、接続される。

しかしながら、外部導体が集合線材を内包する平角線材の場合、外部絶縁層を除去することはできるが、内部絶縁層（集合線材を構成するそれぞれの素線の内部絶縁層）を除去することは困難であるため、内部絶縁層が除去されないまま溶接されることとなる。そのため、溶接の際の熱によって内部絶縁層が溶融、気化して接合不良が生じ、溶接部の品質が悪化する。また、接続作業の度に絶縁層を除去する必要があるため、接続作業が煩雑になる。
一方、製造工程において、予め集合線材を必要長に切断し、端部から内部絶縁層を除去した後、外部導体と組み合わせて、最終形状に成形することも考えられる。しかし、必要長が短い場合には、加工条数が増える、成形加工時のロスが増加する、加工速度が上げにくい等、量産面で問題がある。

本発明の目的は、コイル等に適用する際の接続作業を容易化できるとともに、溶接部の品質を向上でき、量産性に優れた平角線材及び平角線材の製造方法を提供することである。

本発明に係る平角線材は、導体の外周面に内部絶縁層が形成されてなる素線を複数本束ねた集合線材と、
前記集合線材の外周を取り囲む外部導体と、
前記外部導体の外周面に形成された外部絶縁層と、を備え、全長にわたって断面が矩形状に成形されている平角線材であって、
当該平角線材の長手方向に所定の間隔で、前記内部絶縁層及び前記外部絶縁層が除去された前記長手方向に所定長の絶縁除去部が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る平角線材の製造方法は、導体の外周面に内部絶縁層が形成されてなる素線の前記内部絶縁層を当該素線の長手方向に所定の間隔で所定長だけ除去する第１工程と、
前記内部絶縁層を除去した部分が重なるように、複数本の前記素線を束ねて集合線材を形成する第２工程と、
前記集合線材に対して帯状の金属板をパイプ状に加工しながら縦添えして、幅方向の端面同士を溶接することにより、前記集合線材を外部導体で被包する第３工程と、
前記外部導体で前記集合線材を被包した線材を引抜加工により、断面が所定の平角形状となるように成形する第４工程と、
前記外部導体の外周面に外部絶縁層を形成する第５工程と、
前記内部絶縁層を除去した部分を特定する第６工程と、
前記第６工程で特定した部分に対応する前記外部絶縁層を除去する第７工程と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、所定間隔で絶縁除去部が形成されており、この絶縁除去部で切断してコイルに適用することで、電源リードとの接続時に絶縁層を除去する必要はなくなるので、接続作業を容易化できる。また、電源リードと接続する際、絶縁除去部が溶接されるので、絶縁層が溶融、気化することによる接合不良が生じることはなく、溶接部の品質が向上する。また、本発明に係る平角線材は長尺で製造することができるので製造速度を大幅に向上できる上、製造後に所定長に切り分けられるので加工ロスも少なく、量産性に優れる。

本発明の一実施の形態に係る平角線材を示す外観斜視図である。 平角線材の製造工程の一例を示すフローチャートである。 平角線材の製造に使用される集合線材を示す縦断面図である。 外部導体で集合線材を被包する様子を示す図である。 外部導体で集合線材を被包した線材を示す縦断面図である。 平角加工後の線材を示す縦断面図である。 図６の破線Ａ１における横断面図である。 図６の破線Ｂ１における横断面図である。 外部絶縁層を形成した線材を示す縦断面図である。 図９の破線Ａ２における横断面図である。 図９の破線Ｂ２における横断面図である。 外部絶縁層を部分的に除去した平角線材を示す縦断面図である。

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、本発明の一実施の形態に係る平角線材１を示す外観斜視図である。
図１に示す平角線材１は、断面が矩形状に成形された長尺のコイル用巻線である。平角線材１は、素線１０ａを複数本（ここでは６本）束ねた集合線材１０と、集合線材１０を被包する外部導体２０と、外部導体２０の外周面に形成された外部絶縁層３０とを備える。

平角線材１は、コイルに適用される際、コイルに応じた長さ（例えば３００ｍｍ）に切断される。このとき、切断部位の近傍（切断された平角線材１の両端部）が電源リードとの接続部Ｐ１となり、接続部Ｐ１で挟まれた部分がコイルに巻回される巻線部Ｐ２となる。
本実施の形態では、接続部Ｐ１における絶縁層、すなわち素線１０ａの絶縁層１２（以下、内部絶縁層１２）と外部絶縁層３０が、予め製造工程において除去され、絶縁除去部となっている。言い換えると、平角線材１をコイルに適用する場合、絶縁除去部で切断して切り出されたものが使用される。

ここで、巻線部Ｐ２の長さ、すなわち絶縁除去部の間隔は、適用されるコイルに応じて設定されるが、一般的には２７０〜３５０ｍｍである。
また、接続部Ｐ１の長さ、すなわち絶縁除去部の長さ（絶縁除去長）は、１０〜７０ｍｍであることが好ましい。絶縁除去長を１０ｍｍ以上とすることで、複数本の素線１０ａを束ねたときに、内部絶縁層１２を除去した部分を確実に重ならせることができる。また、絶縁除去長を７０ｍｍ以下とすることで、接続部Ｐ１が長くなりすぎて製品ロスが増大するのを防止できる。

また、平角線材１は、幅Ｗが２．０〜３．０ｍｍ、厚さＴが１．５〜２．０ｍｍであることが好ましい。平角線材１を上述したサイズとすることにより、一般的なコイルに適用したときに所望の占積率を容易に確保することができる

集合線材１０を構成する素線１０ａは、銅、アルミニウム等の金属材料からなる内部導体１１の外周面に内部絶縁層１２が形成された構成を有する、いわゆるエナメル線である。複数本の素線１０ａ、１０ａ、・・同士は、それぞれの内部絶縁層１２によって絶縁される。

素線１０ａの内部絶縁層１２は、例えば焼付塗装、ディップ塗装、又は電着塗装等により、内部導体１１の外周面に長手方向一様に成膜される。ただし、接続部Ｐ１（絶縁除去部）に対応する部分の内部絶縁層１２は除去されている。
内部絶縁層１２としては、以下の樹脂を適用できる。すなわち、内部絶縁層１２をディップ塗装により成膜する場合は、ポリアミドイミド系、ポリエステルイミド系、ポリエステル系、ウレタン系、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、ポリビニルホルマール系などの樹脂が好適である。内部絶縁層１２を電着塗装により成膜する場合は、アクリル系、ポリエステル系、ポリイミド系、エポキシ系、ウレタン系の樹脂が好適である。耐熱性を考慮する場合は、ポリイミド系、ポリアミドイミド系の樹脂が好適である。半田による接続性を考慮する場合は、ウレタン系の樹脂が好適である。また、変形による追随性を考慮する場合は、アクリル系の樹脂が好適である。

集合線材１０としては、複数本の素線１０ａを束ねて撚り合わせたリッツ線や、複数本の自己融着型の素線１０ａを束ねて接着したストレート型のボンド線などを適用できる。
集合線材１０を構成する素線１０ａの素線径、絶縁厚さ、本数等は、製造する平角線材１のサイズや特性に応じて適宜に設定される。例えば、平角線材１の幅Ｗを２．０〜３．０ｍｍ、厚さＴを１．５〜２．０ｍｍとする場合、素線径が１．０〜１．３ｍｍ、絶縁厚さが５〜５０μｍの素線１０ａを６本束ねた集合線材１０を用いるのが好ましい。これにより、平角形状に成形したときの素線１０ａ間の絶縁性が確実に保持されるので、コイルに適用したときの渦電流損失を効果的に低減することができる。

外部導体２０は、集合線材１０を被包する金属製のパイプである。外部導体２０は、例えば平角線材１を製造する過程で、帯状の金属板をパイプ状に加工しながら集合線材１０に縦添えして、幅方向の端面同士を接合することにより形成される。集合線材１０を被包するためには、帯状の金属板の幅が、集合線材１０の外周よりも大きければよい。外部導体２０は、予めパイプ状に加工されたもので構成してもよいが、長尺の平角線材１を製造するのが困難となるため、好ましくない。外部導体２０と内部導体１１とは、素線１０ａの内部絶縁層１２により絶縁される。

外部絶縁層３０は、例えば焼付塗装、ディップ塗装、又は電着塗装等により、外部導体２０の外周面に長手方向一様に成膜される。ただし、内部絶縁層１２と同様に、接続部Ｐ１（絶縁除去部）に対応する部分の外部絶縁層３０は除去されている。外部絶縁層３０としては、内部絶縁層１２と同様の樹脂を適用できる。

このように、平角線材１は、内部絶縁層１２及び外部絶縁層３０が所定間隔で除去された所定長の接続部Ｐ１（絶縁除去部）を有する。平角線材１を、接続部Ｐ１で切断してコイルに適用することで、電源リードとの接続時に内部絶縁層１２及び外部絶縁層３０を除去する必要はなくなるので、接続作業を容易化できる。また、電源リードと接続する際、絶縁除去部が溶接されるので、絶縁層が溶融、気化することによる接合不良が生じることはなく、溶接部の品質が向上する。
また、平角線材１は、長尺で製造することができるので製造速度を大幅に向上できる上、製造後に所定長に切り分けられるので加工ロスも少なく、量産性に優れる。
さらには、平角線材１は、コイルに適用されたときに高い占積率を確保できるとともに、導体が分割されているので渦電流損失の低減を図ることができる。具体的には、同サイズの平角線材をコイルに適用した場合に比較して、渦電流損失を３０％以上低減することができる。したがって、平角線材１は、モーター用途の巻線として極めて有用である。

図２は、平角線材１の製造工程の一例を示すフローチャートである。ここでは、集合線材１０としてリッツ線を用いる場合について説明する。
図２に示すように、まず、サプライボビンから素線１０ａを引き出して、撚り線機の撚り口へと複数本（例えば６本）の素線１０ａを供給する（ステップＳ１０１）。撚り線機には、予め複数個のサプライボビンを設置しておく。撚り線機としては、例えばプラネタリー型のものを適用できる。

次に、素線１０ａの内部絶縁層１２を所定の間隔Ｌ１で所定長Ｌ２だけ除去する（ステップＳ１０２）。内部絶縁層１２の除去には、例えば、公知の回転式の被膜剥離機を適用できる（特開２００８−２３４９１７号公報、特開平２−８４００６号公報参照）。サプライボビンから撚り口に至る経路の途中に被膜剥離機を配置し、この被膜剥離機で、素線１０ａがＬ１進むごとに、内部絶縁層１２をＬ２だけ剥離するようにすればよい。
ここで、内部絶縁層１２を除去する間隔Ｌ１は、圧延して平角形状に成形したときの長さが所望の長さ（図１における巻線部Ｐ２の長さ）となるように、後述する平角加工（ステップＳ１０５）における圧延倍率を考慮して設定される。また、内部絶縁層１２の除去長Ｌ２は、圧延して平角形状に成形したときの長さが所望の長さ（図１における接続部Ｐ１の長さ）となるように、後述する平角加工（ステップＳ１０５）における圧延倍率を考慮して設定される。

次に、内部絶縁層１２を除去した複数本の素線１０ａを束ねて撚ることにより、集合線材１０としてのリッツ線を形成する（ステップＳ１０３）。このとき、内部絶縁層１２を除去した部分が重なるように、線速を調整する。
形成されたリッツ線の縦断面（長さ方向に沿う断面）は、図３に示すようになる。なお、図３では、最外層の内部絶縁層１２だけを示しており、素線１０ａ同士の境界における内部絶縁層１２は省略して内部導体１１として示している。後述する図５、６、９、１０においても同様である。

次に、集合線材１０を外部導体２０で被包する（ステップＳ１０４）。例えば、集合線材１０の長手方向に沿って、パイプ状に加工しながら帯状の外部導体２０（例えば銅板）を縦添えする（図４参照）。そして、幅方向の端面同士を突き合わせて、連続的に溶接する。外部導体２０の溶接には、例えばＴＩＧ溶接を適用できる。集合線材１０を外部導体２０で被包した線材の縦断面は、図５に示すようになる。

次に、外部導体２０で集合線材１０を被包した線材を引抜加工により所定の平角形状に成形する（ステップＳ１０５）。引抜加工には、例えば、所定の間隔で配置された上下一対の水平ロール及び所定の間隔で配置された左右一対の垂直ロールを有する四方ロール圧延機（カセットローラーダイスとも呼ばれる）や、所定の平角孔を有するダイスを用いることができる。
平角形状に成形された線材の縦断面は、図６に示すようになる。また、図６の破線Ａ１における横断面、破線Ｂ１における横断面は、それぞれ図７、８に示すようになる。平角加工により集合線材１０及び外部導体２０は圧延されるので、内部絶縁層１２が除去されていない部分の長さＬ１’及び内部絶縁層１２が除去された部分の長さＬ２’は、加工前の長さＬ１、Ｌ２よりも長くなる。
なお、図６、７では、内部絶縁層１２が除去された部分を明示するため、内部導体１１同士の境界及び内部導体１１と外部導体２０との境界に空隙が形成されているように表されているが、実際には内部導体１１同士、及び内部導体１１と外部導体２０は平角加工により圧着される。後述する図９、１０においても同様である。

次に、外部導体２０の外周面に外部絶縁層３０を形成する（ステップＳ１０６）。外部絶縁層３０の形成には、例えば焼付塗装、ディップ塗装、又は電着塗装を適用できる。
外部絶縁層３０が形成された線材の縦断面は、図９に示すようになる。また、図９の破線Ａ２における横断面、破線Ｂ２における横断面は、それぞれ図１０、１１に示すようになる。

次に、内部絶縁層１２が除去されている部分を特定する（ステップＳ１０７）。例えば、図９〜１１に示す線材に対して、オンラインで超音波探傷器による非破壊検査を行うことで、内部絶縁層１２が除去されている部分を特定することができる。具体的には、内部絶縁層１２が除去されている部分（図１０参照）と、除去されていない部分（図１１参照）とで、超音波探傷器による出力（波形）が異なるので、これを利用して内部絶縁層１２が除去されている部分を特定する。

また例えば、内部絶縁層１２が除去されている部分の特定には、内部導体１１と外部導体２０間のインピーダンスを測定し、その最小値を示す箇所を求める方法（特開２００９−１５６８１９号公報参照）や、非破壊検査装置ＭＩＲＲＯＲＣＬＥ−ＣＶシリーズ（光子発生技術研究所製）を使用する方法を適用することもできる。

次に、内部絶縁層１２が除去された部分に対応する外部絶縁層３０を除去し、巻取ボビンに巻き取る（ステップＳ１０８、Ｓ１０９）。外部絶縁層３０の除去には、ステップＳ１０２と同様の方法を適用できる。このようにして、実施の形態に係る平角線材１が製造される。
製造された平角線材１の縦断面は、図１２に示すようになる。また、図１２の破線Ａ３における横断面、破線Ｂ３における横断面は、それぞれ図７、１１に示すようになる。つまり、図１における接続部Ｐ１（絶縁除去部）に対応する横断面は図７で示され、巻線部Ｐ２に対応する横断面は図１１で示される。

このように、実施の形態に係る平角線材１の製造方法は、素線１０ａの内部絶縁層１２を所定の間隔Ｌ１で所定長Ｌ２だけ除去する第１工程（ステップＳ１０２）と、内部絶縁層１２を除去した部分が重なるように、複数本の素線１０ａを束ねて集合線材を形成する第２工程（ステップＳ１０３）と、集合線材１０に対して帯状の金属板をパイプ状に加工しながら縦添えして、幅方向の端面同士を溶接することにより、集合線材１０を外部導体２０で被包する第３工程（ステップＳ１０４）と、外部導体２０で集合線材１０を被包した線材を引抜加工により所定の平角形状に成形する第４工程（ステップＳ１０５）と、外部導体２０の外周面に外部絶縁層３０を形成する第５工程（ステップＳ１０６）と、内部絶縁層１２を除去した部分を特定する第６工程（ステップＳ１０７）と、第６工程で特定した部分に対応する外部絶縁層３０を除去する第７工程（ステップＳ１０８）と、を備える。

この製造方法によれば、部分的に絶縁除去部が形成された平角線材１を容易に製造することができる。
なお、ここでは外部絶縁層３０を形成する前に平角加工を行っているが、外部絶縁層３０を形成した後に平角加工を行うようにしてもよい。ただし、外部絶縁層３０を形成した後に平角加工を行うと、外部絶縁層３０が損傷する虞があるので、実施の形態のように、外部絶縁層３０を形成する前に平角加工を行うのが好ましい。

［実施例］
実施例では、素線径が１．１ｍｍ、絶縁厚さが３０μｍの素線１０ａを用いて、プラネタリー型の撚り線機で６本の素線１０ａを撚り合わせて集合線材１０であるリッツ線を形成した。このとき、素線１０ａが２００ｍｍ進むごとに、内部絶縁層１２を４０ｍｍの長さで除去した。また、リッツ線の撚りピッチは５０ｍｍとした。
外部導体２０には、幅が１５ｍｍ、厚さが０．１５ｍｍの銅テープを用いた。この銅テープをパイプ状に加工しながら集合線材１０の周囲に縦添えし、幅方向の端面を突き合わせてＴＩＧ溶接により接合し、外部導体２０を形成した。
また、外部導体２０で集合線材１０を被包した線材を、四方ロール圧延機により徐々に成形し、厚さ２ｍｍ、幅３ｍｍの平角線材に加工した。圧延倍率は約１．５倍であり、絶縁除去部の間隔は３００ｍｍ、絶縁除去長は４５ｍｍとなった。
平角加工が施された線材には、外部絶縁層３０を絶縁厚さ２０μｍで形成した。そして、超音波探傷器により内部絶縁層１２が除去されている部分を特定し、この部分の外部絶縁層３０を除去した。

必要長３００ｍｍの平角線材を１本ごとに加工していた従来の製法では１００本／日であったのに対して、実施例の方法では、８５００本／日まで１ライン当たりの製造能力が向上した。

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、実施の形態で示した平角線材１の製造方法は、すべてオンラインで行われることを想定しているが、段階的にボビンに巻き取った後、次の工程に移行するようにしてもよい。

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 平角線材
１０ 集合線材
１０ａ 素線
１１ 内部導体
１２ 内部絶縁層
２０ 外部導体
３０ 外部絶縁層
Ｐ１ 接続部（絶縁除去部）
Ｐ２ 巻線部

Claims (5)

1. 導体の外周面に内部絶縁層が形成されてなる素線を複数本束ねた集合線材と、
   前記集合線材の外周を取り囲む外部導体と、
   前記外部導体の外周面に形成された外部絶縁層と、を備え、全長にわたって断面が矩形状に成形されている平角線材であって、
   当該平角線材の長手方向に所定の間隔で、前記内部絶縁層及び前記外部絶縁層が除去された前記長手方向に所定長の絶縁除去部が形成されていることを特徴とする平角線材。
2. 前記集合線材は、複数本の前記素線を撚り合わせてなるリッツ線であることを特徴とする請求項１に記載の平角線材。
3. 当該平角線材の前記絶縁除去部ではない部分の断面における幅が２．０〜３．０ｍｍ、厚さが１．５〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の平角線材。
4. 前記所定の間隔が２７０〜３５０ｍｍであり、前記所定長が１０〜７０ｍｍ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平角線材。
5. 導体の外周面に内部絶縁層が形成されてなる素線の前記内部絶縁層を当該素線の長手方向に所定の間隔で所定長だけ除去する第１工程と、
   前記内部絶縁層を除去した部分が重なるように、複数本の前記素線を束ねて集合線材を形成する第２工程と、
   前記集合線材に対して帯状の金属板をパイプ状に加工しながら縦添えして、幅方向の端面同士を溶接することにより、前記集合線材を外部導体で被包する第３工程と、
   前記外部導体で前記集合線材を被包した線材を引抜加工により、断面が所定の平角形状となるように成形する第４工程と、
   前記外部導体の外周面に外部絶縁層を形成する第５工程と、
   前記内部絶縁層を除去した部分を特定する第６工程と、
   前記第６工程で特定した部分に対応する前記外部絶縁層を除去する第７工程と、
   を備えることを特徴とする平角線材の製造方法。

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