JP7233820B2 - 絶縁電線 - Google Patents
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Description
[1] 銅合金導体と、
前記銅合金導体の外周面上に直接又は間接的に被覆された少なくとも1つの樹脂層を備え、
前記銅合金導体が、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrから選択される金属成分の合計含有量が0.1~2.0ppmであり、銅の含有量が99.96mass%以上である組成を有し、かつ、EBSDによる集合組織解析から得られた結晶方位分布関数をオイラー角(φ1、Φ、φ2)で表したとき、φ2=0°、φ1=0°、Φ=0°から90°の範囲における方位密度の平均値が3.0以上35.0未満であり、かつ、φ2=35°、φ1=45°から55°、Φ=65°から80°の範囲における方位密度の最大値が1.0以上30.0未満である集合組織を有することを特徴とする絶縁電線。
[2]前記銅合金導体の平均結晶粒径が、1μm~100μmである、上記[1]に記載の絶縁電線。
[3]前記樹脂層が、気泡を有する熱硬化性樹脂を含む発泡絶縁層を含んでいる、上記[1]又は[2]に記載の絶縁電線。
[4]前記発泡絶縁層の外周面上に、熱可塑性樹脂を含む外側絶縁層がさらに形成されている、上記[3]に記載の絶縁電線。
[5]前記熱硬化性樹脂が、ポリアミドイミド(PAI)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエステルイミド(PEsI)およびポリエーテルサルフォン(PES)からなる群から選択される、上記[3]又は[4]に記載の絶縁電線。
[6]前記樹脂層が、少なくとも1層のエナメル絶縁層と、該エナメル絶縁層の外周面上に被覆され、熱可塑性樹脂を含む押出絶縁層とを含んでいる、上記[1]又は[2]に記載の絶縁電線。
[7]前記熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、変性ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリフェニレンスルフィド(PPS)および熱可塑性ポリイミド(TPI)からなる群から選択される、上記[4]又は[6]に記載の絶縁電線。
本発明に係る絶縁電線は、銅合金導体と、銅合金導体の外周面上に直接又は間接的に被覆された少なくとも1つの樹脂層を備えている。また、銅合金導体が、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrから選択される金属成分の合計含有量が0.1~2.0ppmであり、銅の含有量が99.96mass%以上である組成を有し、かつ、EBSDによる集合組織解析から得られた結晶方位分布関数をオイラー角(φ1、Φ、φ2)で表したとき、φ2=0°、φ1=0°、Φ=0°から90°の範囲における方位密度の平均値が3.0以上35.0未満であり、かつ、φ2=35°、φ1=45°から55°、Φ=65°から80°の範囲における方位密度の最大値が1.0以上30.0未満である集合組織を有している。本発明に係る絶縁電線は、銅合金導体の材料として、特定の組成及び集合組織を有するOFCを使用することにより、例えば700℃以上の高温下であっても、銅合金導体の結晶粒の二次再結晶(異常粒成長)が抑制され、銅合金導体を高温下に曝しても結晶粒の変化を低減させることが可能となる。その結果、絶縁電線全体の耐熱性を向上させることができ、良好な導電性を有すると共に、優れた耐熱性を示す絶縁電線を作製することができる。
本発明では、銅合金導体を使用し、好ましくは短手方向の断面形状が略矩形、台形、多角形等である銅合金導体、より好ましくは平角導体を使用する。このような形状の導体の使用により、断面形状が円形の導体と比較して、巻線時にステータコアのスロットに対する占積率を高くすることができる。導体のサイズは用途に応じて決めるものであるため特に限定するものではないが、平角導体を使用する場合、一辺の長さにおいて、例えば、その長辺(幅)は1.0mm~5.0mmが好ましく、1.4mm~2.7mmがより好ましく、その短辺(厚み)は0.4mm~3.0mmが好ましく、0.5mm~2.5mmがより好ましい。ただし、本発明の効果が得られる導体サイズの範囲はこの限りではない。また、平角導体の断面形状も用途に応じて異なるが、断面正方形よりも、断面長方形が一般的である。さらに、平角導体を使用する場合、その導体断面の4隅の面取り(曲率半径r)は、ステータスロット内での導体占有率を高める観点では、曲率半径rは小さい方が好ましいが、4隅への電界集中による部分放電現象を抑制するという観点では、曲率半径rは大きい方が好ましい。よってこれらのバランスを考慮し、曲率半径rは0.6mm以下が好ましく、0.2mm~0.4mmがより好ましい。ただし、本発明の効果が得られる曲率半径rの範囲はこの限りではない。
本発明では、銅合金導体の材料として、特定の組成を有するOFCが使用される。一般に、OFCとは、酸素含有量が30ppm以下の低酸素銅、さらに好ましくは20ppm以下の低酸素銅または無酸素銅を意味する。酸素含有量が30ppm以下であれば、銅合金導体を溶接するために熱で溶融させた場合、溶接部分に含有酸素に起因するボイドの発生がなく、溶接部分の電気抵抗が悪化することを防止すると共に、溶接部分の強度を保持することができる。また、本発明に使用される銅合金導体に含まれる銅の含有量は、99.96mass%以上であり、好ましくは99.99mass%以上である。銅の含有量が99.96mass%未満であると、熱伝導率が低下し、所望する放熱性(耐熱性)が得られない。また、本発明に使用される銅合金は、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrから選択される金属成分の合計含有量が0.1~2.0ppmである。これらの金属成分の合計含有量の下限値は特に限定する必要はないが、不可避的不純物を考慮し、0.1ppmとした。一方、これらの金属成分の合計含有量が2.0ppmを超えると、所望の方位密度が得られない。本発明の銅合金導体には、銅、並びに、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrから選択される金属成分以外に残部として不可避的不純物が含まれていてもよい。不可避的不純物は、製造工程上、不可避的に含まれうる含有レベルの不純物を意味する。
本発明に使用される銅合金導体は、EBSDによる集合組織解析から得られた結晶方位分布関数(ODF:crystal orientation distribution function)をオイラー角(φ1、Φ、φ2)で表したとき、φ2=0°、φ1=0°、Φ=0°から90°の範囲における方位密度の平均値が3.0以上35.0未満であり、かつ、φ2=35°、φ1=45°から55°、Φ=65°から80°の範囲における方位密度の最大値が1.0以上30.0未満である。圧延方向をRD方向、銅合金導体の幅方向(RD方向に対して直交する方向)をTD方向、圧延面(RD面)に対して垂直な方向をND方向としたとき、RD方向を軸とした方位回転がΦ、ND方向を軸とした方位回転がφ1、TD方向を軸とした方位回転がφ2として表される。方位密度は、集合組織における結晶方位の存在比率及び分散状態を定量的に解析する際に用いられるパラメータであり、EBSD及びX線回折を行い、(100)、(110)、(112)等の3種類以上の正極点図の測定データに基づいて、級数展開法による結晶方位分布解析法により算出される。EBSDによる集合組織解析から得られるφ2を所定の角度で固定した断面図において、RD面内での方位密度の分布が示される。
本発明に使用される銅合金導体の平均結晶粒径は、1μm~100μmであることが好ましい。平均結晶粒径が1μm未満であると、結晶方位を十分に制御できない場合がある。一方、平均結晶粒径が100μmを超えると、十分な引張強度が得られずに、外部からの負荷応力に対して、変形、剥離等が生じてしまう場合がある。なお、結晶粒径は、銅合金導体のRD面におけるEBSD解析により測定することができる。
本発明に使用される銅合金導体は、引張強度が150~330MPaであることが好ましい。引張強度が150MPa未満であると、強度が不十分であり、引張強度が330MPaを超えると、加工性が低下する傾向にある。
次に、本発明の銅合金導体の製造方法の一例を説明する。
R={(t0-t)/t0}×100
式中、t0は圧延前の銅合金導体の厚さであり、tは圧延後の銅合金導体の厚さである。
本発明に係る絶縁電線は、銅合金導体の外周面上に直接又は間接的に被覆された少なくとも1つの樹脂層を備えている。樹脂層の形状は、特に限定されるものではなく、銅合金導体の形状に応じて適宜設計することができる。樹脂層には、絶縁性を有する樹脂が使用されており、また、樹脂層の構成は、このような樹脂を含む単層であってもよく、又は、このような樹脂を含む層が複数積層されていてもよい。樹脂層の全体の厚さは、特に限定されるものではないが、絶縁性を損なわずに、小型化された電気機器等に適用させる観点から10μm~300μmが好ましく、20μm~200μmがより好ましい。
本発明では、絶縁電線に使用される樹脂層が、気泡を有する熱硬化性樹脂を含む発泡絶縁層を含んでいることが好ましい。このような発泡樹脂層は、気泡の存在により高い振動減衰性を示す。車両に搭載される電気機器の小型化に伴い、導体を被覆する樹脂層の薄肉化も求められているため、このような薄い樹脂層も自動車の振動に耐える必要がある。したがって、導体として上述した特定の組成及び集合組織を有する銅合金導体と、樹脂層として発泡樹脂層とが組合わされたこのような絶縁電線を、車両等に搭載されている小型化された電気機器に使用しても、自動車の振動に十分に耐えることができ、その結果、銅合金導体からの樹脂層の剥離をより確実に防止することができる。尚、発泡絶縁層の厚さは特に制限されるものではないが、本発明では、10~200μmが好ましい。また、本発明では、発泡絶縁層は1層でも2層以上の複数の層から構成されていてもよい。
本発明では、発泡絶縁層の外周面上に、熱可塑性樹脂を含む外側絶縁層がさらに形成されていてもよい。図2は、このような樹脂層の構成を有する本発明に係る絶縁電線10の実施態様の一例を示した概略断面図であり、銅合金導体1の外周面上に発泡絶縁層2が形成され、発泡絶縁層2の外周面上に外側絶縁層3がさらに形成されている。発泡絶縁層2に気泡(空気)が含まれることによって形状を変形できることを利用し、発泡絶縁層2の上層に外側絶縁層3として熱可塑性樹脂の層をさらに設けることにより、空気ギャップを埋めることができ、その結果、部分放電の発生を抑制する性能に優れる樹脂層を形成することができる。この効果をさらに高めるために、外側絶縁層に使用される熱可塑性樹脂として、非晶性樹脂の場合には240℃以上のガラス転移温度を有する熱可塑性樹脂、または、結晶性樹脂の場合には240℃以上の融点を有する熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。
樹脂層が発泡絶縁層を含む絶縁電線は、次のようにして作製することができる。導体として上記のように作製した銅合金導体を用い、その周囲に発泡絶縁層を形成するワニスを塗布する。ワニスは、発泡絶縁層を構成する熱硬化性樹脂を溶解し得る上記の有機溶剤と、発泡剤として作用する気泡形成用の高沸点溶媒と、任意に、気泡核剤として作用する中間の沸点を有する気泡形成用の高沸点溶媒を含む溶剤を混合することにより調製される。次いでワニスを加熱して焼き付ける過程で、有機溶剤を気化させると、ワニス中に気泡が発生し、気泡を有する発泡絶縁層が銅合金導体の外周面上に形成される。また、発泡絶縁層の外周面上に外側絶縁層を形成する場合、外側絶縁層を構成する熱可塑性樹脂組成物を押出成形することにより、発泡絶縁層の外周面上に外側絶縁層を設けることができる。
本発明では、絶縁電線に使用される樹脂層が、少なくとも1層のエナメル絶縁層と、エナメル絶縁層の外周面上に被覆され、熱可塑性樹脂を含む押出絶縁層とを含んでいることが好ましい。図3は、このような樹脂層の構成を有する本発明に係る絶縁電線10の実施態様の一例を示した概略断面図であり、銅合金導体1の外周面上に、樹脂層4として、エナメル絶縁層4aが形成され、エナメル絶縁層4aの外周面上に押出絶縁層4bがさらに形成されている。このような構成を有する樹脂層4には、押出絶縁層4bと銅合金導体1との間にエナメル絶縁層4aが介在しているため、銅合金導体1と押出絶縁層4bとの密着性を補強しつつ、押出被覆によりエナメル絶縁層4a上に押出絶縁層4bを強固に被覆できる。車両に搭載される電気機器の小型化に伴い、導体の薄肉化も求められているため、このような導体は、より強固に樹脂層に密着される必要がある。したがって、上述した特定の組成及び集合組織を有する銅合金導体が、このような構成を有する樹脂層で被覆されることにより、銅合金導体がより強固に密着され、その結果、銅合金導体からの樹脂層の剥離をより確実に防止することができる。
エナメル絶縁層は、熱硬化性樹脂から構成される。本発明では、銅合金導体から順にエナメル絶縁層、押出絶縁層を有し、特に、エナメル絶縁層は銅合金導体に直接接して該銅合金導体の外周に設けられることが特に好ましい。ただし、必要性に応じて、銅合金導体とエナメル絶縁層との間に別の絶縁層(樹脂層)が設けられていてもよい。以下、エナメル絶縁層は、単にエナメル層ということもある。
エナメル層を形成するエナメル樹脂は、熱硬化性樹脂であれば従来用いられている樹脂を使用することができ、例えば、ポリアミドイミド(PAI)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエステルイミド(PEsI)、ポリウレタン(PU)、ポリエステル(PEst)、ポリベンゾイミダゾール、メラミン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのうち、ポリアミドイミド(PAI)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエステルイミド(PEsI)、ポリウレタン(PU)、ポリエステル(PEst)が好ましく、このなかでも、イミド結合を有する熱硬化性樹脂が好ましい。イミド結合を有する熱硬化性樹脂は、上記では、ポリアミドイミド(PAI)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエステルイミド(PEsI)が挙げられる。本発明では、特に、ポリアミドイミド(PAI)、ポリイミド(PI)およびポリエーテルイミド(PEI)から選択される樹脂が好ましい。
熱硬化性樹脂層には、トリアルキルアミン、アルコキシ化メラミン樹脂、チオール系化合物のような添加剤を加えることで、銅合金導体への密着力をさらに高めることができる。
押出絶縁層は、熱可塑性樹脂を含んでいる。本発明においては、押出絶縁層は、少なくとも1層の押出絶縁層が、少なくとも1層のエナメル絶縁層上に設けられるが、押出絶縁層は、1層でも2層以上の積層構造であってもよい。
熱可塑性樹脂は、ポリアミド(PA)(ナイロン)、ポリアセタール(POM)、ポリカーボネート(PC)、ポリフェニレンエーテル(変性ポリフェニレンエーテルを含む)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、超高分子量ポリエチレン等の汎用エンジニアリングプラスチックの他、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリアリレート(Uポリマー)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリアリールエーテルケトン(PAEK)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(変性ポリエーテルエーテルケトン(変性PEEK)を含む)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、熱可塑性ポリイミド(TPI)、熱可塑性ポリアミドイミド(TPAI)、液晶ポリエステル等のスーパーエンジニアリングプラスチック、さらに、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)をベース樹脂とするポリマーアロイ、ABS/ポリカーボネート、ナイロン6,6、芳香族ポリアミド樹脂(芳香族PA)、ポリフェニレンエーテル/ナイロン6,6、ポリフェニレンエーテル/ポリスチレン、ポリブチレンテレフタレート/ポリカーボネート等の上記エンジニアリングプラスチックを含むポリマーアロイが挙げられる。
押出絶縁層には、必要に応じて、各種の添加物を含有させることができる。このような添加物としては、例えば、顔料、架橋剤、触媒、酸化防止剤が挙げられる。このような添加物の含有量は、押出絶縁層を構成する樹脂100質量部に対し、0.01~10質量部が好ましい。
本発明では、導体として上記のように作製した銅合金導体の外周に、エナメル絶縁層を形成する熱硬化性樹脂のワニスを塗布して焼付けし、熱硬化性樹脂から構成されるエナメル絶縁層を形成する。次いで、このエナメル絶縁層上に、押出絶縁層を構成する熱可塑性樹脂を含む組成物を、押出成形することにより、エナメル絶縁層の外周面上に押出絶縁層を形成することができる。
まず、表1に示す組成を有する銅素材を溶解し、鋳造して鋳塊を得た([工程1])。得られた鋳塊に対して、保持温度700~1000℃、保持時間10分~20時間の均質化熱処理を行った[工程2]。そして、総加工率が10~90%となるように熱間圧延を行った[工程3]後、10℃/sec以上の冷却速度で急冷を行った[工程4]。冷却された材料の両面をそれぞれ約1.0mmずつ面削した[工程5]。次に、表2に示す総加工率で第1冷間処理を行った[工程6]後、表2に示す昇温速度、到達温度、保持時間及び冷却速度で第1焼鈍を行った[工程7]。次に、表2に示す総加工率で第2冷間圧延を行った[工程8]。表2に示す昇温速度、到達温度、保持時間及び冷却速度で第2焼鈍を行った[工程9]後、表2に示す総加工率で仕上げ圧延を行った[工程10]。到達温度が125~400℃である条件で最終焼鈍を行った[工程11]後、酸洗及び研磨を行い[工程12]、所望の厚さの銅板材を作製した。その後、EBSDによって測定する方向に沿って、得られた銅板材を一定のサイズにスリットし、カセットローラダイスを介して平角線加工を行った[工程13]。このようにして、銅合金導体(供試材)を作製した。
<金属成分の定量分析>
作製した各供試材について、VG-9000(V.G.Scientific社製)を用いて解析を行った。各供試材に含まれるAl、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrの含有量(ppm)、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCr(表1では単に「金属成分」と記す)の合計含有量(ppm)、並びにCuの含有量(mass%)を表1に示す。なお、各供試材には、不可避的不純物が含まれている場合がある。また、表1における「-」は、該当する金属成分が検出されなかったことを意味する。
方位密度は、OIM5.0HIKARI(TSL社製)を用い、EBSD法により測定した。測定面積は、結晶粒を200個以上含む、800μm×1600μmの範囲とし、スキャンステップを0.1μmとした。測定後の結晶粒の解析には、解析ソフトとしてOIM Analysis(TSL社製)を用いた。解析により得られた結晶方位分布関数をオイラー角で表示した。φ2=0°の断面図より、φ1=0°、Φ=0°から90°の範囲(表3では「範囲A」と記す)における方位密度の平均値を算出した。また、オイラー角で表示されたφ2=35°の断面図において、φ1=45°から55°、Φ=65°から80°の範囲(表3では「範囲B」と記す)における方位密度の最大値を読み出した。各供試材について、範囲Aにおける方位密度の平均値及び範囲Bにおける方位密度の最大値を表3に示す。
平均結晶粒径は、方位密度と同様の方法で測定した。測定範囲に含まれる全ての結晶粒より、平均結晶粒径を算出した。各供試材の平均結晶粒径を表3に示す。
導電率は、20℃(±0.5℃)に保たれた恒温槽中で四端子法により計測した比抵抗の数値から算出した。なお、端子間距離は100mmとした。導電率が95%IACS以上である場合を「良好」、95%IACS未満である場合を「不良」と評価した。各供試材の導電率を表3に示す。
各供試材のRD方向から、JIS Z2201-13B号の試験片を3本切り出した。JIS Z2241に準じて、各試験片の引張強度を測定し、その平均値を算出した。引張強度が150MPa以上330MPa以下である場合を「良好」、150MPa未満である場合又は330MPaを超える場合を「不良」と評価した。各供試材の引張強度を表3に示す。
各供試材に対して、アルゴン雰囲気又は窒素雰囲気下の管状炉で800℃5時間の熱処理を施した後、上記平均結晶粒径の測定方法と同様の方法で、平均結晶粒径を測定した。熱処理後の平均結晶粒径が200μm以下である場合を耐熱性が「優れる」、200μmを超える場合を耐熱性が「不良」と評価した。各供試材について、熱処理後の平均結晶粒径を表3に示す。一般的に、結晶粒径は、熱処理を高温で長時間行うほど成長する。すなわち、800℃で5時間の熱処理を行った後に平均結晶粒径が200μm以下である供試材については、700~800℃で10分以上5時間以内の熱処理を行った場合も、平均結晶粒径が200μm以下であることは自明である。
2 発泡絶縁層
3 外側絶縁層
4 樹脂層
4a エナメル絶縁層
4b 押出絶縁層
10 絶縁電線
Claims (7)
- 銅合金導体と、
前記銅合金導体の外周面上に直接又は間接的に被覆された少なくとも1つの樹脂層を備え、
前記銅合金導体が、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrから選択される金属成分の合計含有量が0.1~2.0ppmであり、銅の含有量が99.96mass%以上である組成を有し、かつ、EBSDによる集合組織解析から得られた結晶方位分布関数をオイラー角(φ1、Φ、φ2)で表したとき、φ2=0°、φ1=0°、Φ=0°から90°の範囲における方位密度の平均値が3.0以上35.0未満であり、かつ、φ2=35°、φ1=45°から55°、Φ=65°から80°の範囲における方位密度の最大値が1.0以上30.0未満である集合組織を有し、
前記樹脂層が、少なくとも1層のエナメル絶縁層と、該エナメル絶縁層の外周面上に被覆され、熱可塑性樹脂を含む押出絶縁層とを含んでいる、絶縁電線。 - 前記銅合金導体の平均結晶粒径が、1μm~100μmである、請求項1に記載の絶縁電線。
- 前記樹脂層が、気泡を有する熱硬化性樹脂を含む発泡絶縁層を含んでいる、請求項1又は2に記載の絶縁電線。
- 前記発泡絶縁層の外周面上に、熱可塑性樹脂を含む外側絶縁層がさらに形成されている、請求項3に記載の絶縁電線。
- 前記熱硬化性樹脂が、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド、およびポリエーテルサルフォンからなる群から選択される、請求項3又は4に記載の絶縁電線。
- 前記押出絶縁層に含まれる熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン、変性ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリフェニレンスルフィド、および熱可塑性ポリイミドからなる群から選択される、請求項1に記載の絶縁電線。
- 前記外側絶縁層に含まれる熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン、変性ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリフェニレンスルフィド、および熱可塑性ポリイミドからなる群から選択される、請求項4に記載の絶縁電線。
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