WO2013051665A1 - 交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラム - Google Patents

交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラム Download PDF

Info

Publication number
WO2013051665A1
WO2013051665A1 PCT/JP2012/075848 JP2012075848W WO2013051665A1 WO 2013051665 A1 WO2013051665 A1 WO 2013051665A1 JP 2012075848 W JP2012075848 W JP 2012075848W WO 2013051665 A1 WO2013051665 A1 WO 2013051665A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wire
frequency
sectional area
cross
diameter
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/075848
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
伸 梅原
佐藤　孝
Original Assignee
矢崎総業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 矢崎総業株式会社 filed Critical 矢崎総業株式会社
Publication of WO2013051665A1 publication Critical patent/WO2013051665A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30—Circuit design
    • G06F30/36—Circuit design at the analogue level
    • G06F30/367—Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables

Definitions

  • the present invention relates to a specification determination support method, a specification determination support apparatus, and a specification determination support program for an AC wire, and relates to a technique for supporting optimal specification determination of a wire such as a litz wire.
  • Litz wire has a structure suitable for flowing such a high-frequency current.
  • a litz wire is an electric wire formed by twisting a large number of thin conductive wires (eg, magnet wires such as enamel wires) whose surfaces are covered with an insulating layer. Each conducting wire is called a strand. Since the adjacent strands are insulated from each other, the surface area of the entire conductor constituting the litz wire is very large compared to a general conducting wire having the same cross-sectional area. Therefore, even when the high-frequency current flowing through the litz wire flows in the vicinity of the surface of each strand, the current can flow with a relatively small resistance. That is, an increase in power loss and heat generation can be suppressed even in a high frequency region.
  • Patent Document 1 A technique relating to the structure and manufacturing method of such a litz wire is disclosed in Patent Document 1.
  • the loss characteristics of the litz wire could not be grasped unless an expensive simulation apparatus was used and calculation was performed over a long time. For this reason, it was necessary to perform an enormous amount of calculations in order to select a wire with the optimum specification in consideration of cost among various specifications with different conditions such as the cross-sectional area of the entire wire and the wire diameter. .
  • the amount of loss required for the electric wire also changes, so it is necessary to perform the calculation again each time.
  • An object of the present invention is to provide a specification determination support method, a specification determination support apparatus, and a specification determination support program for an AC electric wire that can support the determination of the specifications of an electric wire.
  • the AC wire specification determination support method is characterized by the following (1) to (5).
  • One is an AC cable specification determination support method for obtaining one unknown parameter of the wire specification and obtaining the unknown parameter, An input step for inputting the cross-sectional area of the entire electric wire and the frequency of the condition in which the electric wire is used as a known parameter of the electric wire specification, Based on the specific frequency determined based on the upper limit frequency representing the upper limit of the range in which the litz wire of each wire diameter has an advantage over the single core wire, and the cross-sectional area and frequency input as the known parameters, And a calculation step for obtaining the strand diameter of the litz wire which is an unknown parameter.
  • a specification determination support method for an AC electric wire according to (1) above Based on the cross-sectional area input as the known parameter, a lower limit frequency acquisition step for acquiring a lower limit frequency representing a lower limit of a range in which the litz wire has an advantage over a single core wire; A step of comparing the frequency input as the known parameter with the lower limit frequency and selecting either the litz wire or the single core wire.
  • the upper limit frequency is calculated for each of the wires having a plurality of wire diameters by using a predetermined approximate expression representing the relationship between the upper limit frequency, the wire diameter, and the cross-sectional area of the entire wire. thing.
  • the upper limit frequency in each of a plurality of wire diameter wires calculated based on a predetermined approximate expression representing the relationship between the upper limit frequency, the wire diameter, and the cross-sectional area of the entire wire. Obtaining information on the wire diameter using a table that holds information in advance.
  • the specific frequency is set to the same frequency as the upper limit frequency, and a strand diameter of a litz wire having a corresponding upper limit frequency characteristic is acquired based on the cross-sectional area and frequency input as the known parameters. And outputting an optimum value calculated based on the wire diameter as the unknown parameter.
  • the specification determination support method for the AC electric wire having the configuration (1) it is possible to manufacture an electric wire having necessary electrical characteristics at a relatively low cost by simply inputting the cross-sectional area and frequency of the electric wire to be designed. As a condition, an appropriate wire diameter can be easily obtained.
  • the specification determination support method for the AC electric wire configured as described in (2) above when the frequency of the current flowing through the electric wire to be designed is relatively low, a single core wire that is lower in cost than the litz wire is used as an optimal option. It becomes possible to select.
  • the specification determination support method for the AC electric wire configured as described in (3) above since it is not necessary to store data obtained as a result of calculation in advance, even an apparatus (such as a computer) that does not have a large capacity memory is used.
  • the wire diameter can be calculated.
  • the specification determination support method for the AC electric wire configured as described in (4) above since a table that holds data obtained by calculation in advance is used, there is no need to repeat complicated calculation processing, and relatively high processing capability. Even with a low device (such as a computer), a result can be obtained in a short time.
  • a wire diameter sufficiently smaller than the wire diameter corresponding to the upper limit frequency can be adopted as the optimum value. As a result, it is possible to prevent the loss of the electric wires from increasing in the high frequency region.
  • the AC wire specification determination support apparatus is characterized by the following (6).
  • (6) Either of the cross-sectional area of the wire, the outer diameter of each wire constituting the wire, and the frequency to be used in an environment where either a litz wire or a single core wire corresponding to the other wire can be selected.
  • One is an AC wire specification determination support device having a function of obtaining one of the unknown parameters of the wire specification and obtaining the unknown parameter,
  • a parameter input unit for inputting the cross-sectional area of the entire wire and the frequency of the condition in which the wire is used as a known parameter of the wire specification; Based on the specific frequency determined based on the upper limit frequency representing the upper limit of the range in which the litz wire of each wire diameter has an advantage over the single core wire, and the cross-sectional area and frequency input as the known parameters, A calculation processing unit that obtains the strand diameter of the litz wire, which is an unknown parameter, and outputs the strand diameter.
  • the specification determination support device for an AC electric wire configured as described in (6) above, by simply inputting the cross-sectional area and frequency of the electric wire to be designed, it is possible to manufacture an electric wire having necessary electrical characteristics at a relatively low cost. As a condition, an appropriate wire diameter can be easily obtained.
  • the specification determination support program according to the present invention is characterized by the following (7).
  • (7) Either of the cross-sectional area of the wire, the outer diameter of each wire constituting the wire, and the frequency to be used in an environment where either a litz wire or a single core wire corresponding to the other wire can be selected.
  • a specification determination support program executable by a computer for obtaining one unknown parameter as an unknown parameter of a wire specification, An input step for inputting the cross-sectional area of the entire electric wire and the frequency of the condition in which the electric wire is used as a known parameter of the electric wire specification, Based on the specific frequency determined based on the upper limit frequency representing the upper limit of the range in which the litz wire of each wire diameter has an advantage over the single core wire, and the cross-sectional area and frequency input as the known parameters, And a calculation step for obtaining the strand diameter of the litz wire which is an unknown parameter.
  • a large AC current can be generated without using an expensive simulation apparatus and without taking a long time for calculation processing. It is possible to support the determination of the specifications of the electric wires that need to flow. In particular, by simply inputting the cross-sectional area and frequency of the electric wire to be designed, an appropriate wire diameter can be easily obtained as a condition for manufacturing an electric wire having the necessary electrical characteristics at a relatively low cost. .
  • FIG. 1 is a flow chart which shows processing procedure (1) of an AC electric wire specification decision support method of an embodiment.
  • FIG. 2 is a front view showing an example of the external configuration of the parameter input screen.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a processing procedure (2) of the AC wire specification determination support method according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing frequency-resistance characteristics of three types of litz wires and single-core wires.
  • FIG. 5 is an enlarged graph showing a low frequency region of the characteristic shown in FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing an enlarged region having a high frequency with the characteristics shown in FIG.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the upper limit frequency, the lower limit frequency and the cross-sectional area of each electric wire.
  • FIG. 1 is a flow chart which shows processing procedure (1) of an AC electric wire specification decision support method of an embodiment.
  • FIG. 2 is a front view showing an example of the external configuration of the parameter input screen.
  • FIG. 3 is a
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the wire diameter and ⁇ and ⁇ .
  • FIG. 9 is a graph showing a comparison between the calculation result of the approximate expression and the simulation result regarding the relationship between the upper limit frequency and the cross-sectional area of each electric wire.
  • FIG. 10 is a graph showing the relation between the lower limit frequency and the cross-sectional area by comparing the calculation result of the approximate expression and the simulation result.
  • FIG. 11 is a graph showing a list of relationships between the upper limit frequency, the lower limit frequency, and the cross-sectional area of each electric wire obtained as a calculation result of the approximate expression.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration example of a litz wire.
  • the litz wire has a cross-sectional structure as shown in FIG. In FIG. 12, each cross section parallel to the X and Y planes at different positions in the length direction (Z direction) of the litz wire is shown, and the number for identifying it is shown at the position of each strand. is there.
  • each strand in the X and Y planes changes as shown in FIG. 12 as the position of the litz wire in the length direction changes.
  • the outer peripheral surface of many strands which comprise a litz wire is electrically insulated, the mutually adjacent strands are electrically independent. And all the strands are mutually electrically connected by the both ends of the length direction of a litz wire.
  • a general electric wire (stranded wire) it is constituted by a set of ordinary wires whose outer peripheral surfaces are not insulated. Such an electric wire is referred to herein as a single core wire.
  • the litz wire has higher material cost and manufacturing cost than the single core wire.
  • the litz wire with a very small strand diameter not only the number of strands increases, but all of the numerous strands must be securely connected at both ends of the litz wire, resulting in manufacturing costs. Will increase.
  • FIG. 4 The frequency-resistance characteristics of three types of litz wires and single core wires are shown in FIG. That is, a litz wire composed of a large number of strands having a strand diameter of 10 ⁇ m, a litz wire composed of a large number of strands having a strand diameter of 50 ⁇ m, and a large number of strands having a strand diameter of 100 ⁇ m
  • the characteristics of the litz wire and the single core wire (cross-sectional area 2 mm 2 ) are shown.
  • shaft of FIG. 4 represents resistance Rs [ohm / m] of each electric wire.
  • FIG. 5 shows a state where the low frequency region (1 kHz to 100 kHz) of the characteristic of FIG. 4 is enlarged
  • FIG. 6 shows a state where the high frequency region (100 kHz to 100 MHz) of the characteristic of FIG. Is shown in
  • the lower limit frequency of the frequency range in which the effect of the litz wire appears as compared with the single core wire is defined herein as the “lower limit frequency”.
  • the frequency at which the resistance of the litz wire is equivalent to the resistance of the single core wire is defined as the “upper limit frequency”. That is, if the frequency of the alternating current that is energized exceeds this “upper limit frequency”, the superiority of the litz wire will be lost. Further, as shown in FIG. 6, litz wires having different wire diameters have different “upper limit frequencies”.
  • the specific “upper limit frequency” is as follows. Litz wire with a wire diameter of 10 ⁇ m: about 24 MHz, Litz wire with a wire diameter of 50 ⁇ m: about 2.8 MHz Litz wire with strand diameter of 100 ⁇ m: approx. 950 kHz
  • FIG. 7 shows a result obtained by computer simulation of the relationship between the upper limit frequency, the lower limit frequency and the cross-sectional area of each electric wire.
  • the “upper limit frequency” f is expressed by the following equation from the equations (1) to (3).
  • f (7.357E + 8) ⁇ 1 ( ⁇ 1.392) ⁇ S ⁇ ⁇ 3.440E ⁇ 1 ⁇ 1 ( ⁇ 1.131E ⁇ 2) ⁇ (4) ⁇ 1 : Wire diameter corresponding to the upper limit frequency f [ ⁇ m]
  • FIG. 9 shows a graph comparing the calculation result of the expression (4), which is an approximate expression, with the simulation result regarding the relationship between the upper limit frequency and the cross-sectional area of each electric wire.
  • the calculation result of the expression (4) substantially coincides with the simulation result. That is, by using the approximate expression (4), the relationship between the upper limit frequency and the cross-sectional area of each electric wire can be grasped almost accurately.
  • lower limit frequency is a frequency at which the resistance of the single core wire increases, and this change is caused by eddy current. That is, the “lower limit frequency” means a frequency at which the skin thickness ⁇ is equal to or less than the radius r of the single core wire. Therefore, the “lower limit frequency” can be obtained by the following calculation.
  • the cross-sectional area S of the electric wire is ( ⁇ r 2 ). Therefore, the above expression (10) can be transformed as the following expression.
  • f ⁇ / (S ⁇ ) (11)
  • f Lower limit frequency [Hz]
  • ⁇ resistivity [ ⁇ ⁇ m]
  • S sectional area [m 2 ]
  • FIG. 10 shows a graph comparing the calculation result of the above expression (11) with the result obtained by the simulation regarding the relationship between the lower limit frequency f and the cross-sectional area S described above. Referring to FIG. 10, it can be seen that the calculation result of the equation (11) and the simulation result are substantially the same. That is, the accurate lower limit frequency f can be obtained using the equation (11).
  • FIG. 11 shows a list of the relationship between the upper limit frequency, the lower limit frequency, the cross-sectional area, and the wire diameter of each electric wire obtained as a result of calculation of the approximate expressions of the expressions (4) and (11). That is, the range of the frequency where the effect of the litz wire of each strand diameter is obtained is between the lower limit frequency and the upper limit frequency shown in FIG.
  • the wire diameter ⁇ needs to be sufficiently smaller than the strand diameter ⁇ 1 shown in FIG. 11 so as to satisfy the relationship of the expression (5).
  • FIG. 1 shows a processing procedure (1) of the AC wire specification determination support method according to this embodiment. That is, this is a process for supporting the determination of the optimum values for the cross-sectional area, frequency, and wire diameter, which are the specifications of the litz wire.
  • the processing procedure shown in FIG. 1 is roughly composed of step S10 for determining the specifications of the set-twisted litz wire to be designed and step S20 for calculating the optimum value of the litz wire.
  • step S11 shown in FIG. 1 based on the allowable upper limit value (allowable current) of the current flowing in the electric wire to be designed and the maximum value (driving frequency) of the AC current flowing in the electric wire, Determine the frequency.
  • the value of the cross-sectional area can be obtained by calculation based on the allowable current and the resistivity of the material (copper or the like) constituting the electric wire, or a value determined in advance may be directly input. For example, it is assumed that 2 [mm 2 ] as the cross-sectional area and 1 [MHz] as the frequency are input in step S11.
  • step S12 the above-mentioned “lower limit frequency” is acquired. That is, the “lower limit frequency” is obtained by substituting the value of the cross-sectional area input in step S11 into the equation (11) and calculating it.
  • the lower limit frequency corresponding to the cross-sectional area can be acquired immediately. For example, when the cross-sectional area determined in step S11 is 2 [mm 2 ], 6 [kHz] is obtained in step S12 as the “lower limit frequency” corresponding to this cross-sectional area.
  • step S13 the “lower limit frequency” obtained in step S12 is compared with the “drive frequency” determined in step S11. If the condition (“drive frequency”> “lower limit frequency”) is satisfied, the process proceeds to step S15. If not, the process proceeds to step S14. For example, when the cross-sectional area determined in step S11 is 2 [mm 2 ] and the frequency is 1 [MHz] (1 MHz> 6 kHz), the process proceeds from step S13 to S15.
  • step S14 When proceeding to step S14, ("driving frequency” ⁇ "lower limit frequency"), and even if a litz wire is adopted, the loss cannot be reduced compared to a normal single core wire. Therefore, in step S14, it is determined that a normal electric wire (stranded wire: single core wire) is used instead of the litz wire.
  • a normal electric wire stranded wire: single core wire
  • step S15 the wire diameter corresponding to the aforementioned “upper limit frequency” is acquired based on the cross-sectional area and frequency determined in step S11. For example, when a data group of calculation results corresponding to the contents of the graph shown in FIG. 11 is prepared in advance on a predetermined table, the wire diameter can be obtained from this graph. That is, the straight line corresponding to the already determined cross-sectional area and frequency is selected from the straight lines L01 to L08 representing the “upper limit frequency” of each litz wire in the graph, and the wire diameter corresponding to the straight line is acquired. .
  • step S11 when the cross-sectional area determined in step S11 is 2 [mm 2 ] and the frequency is 1 [MHz], “2 [mm 2 ]” on the horizontal axis of the graph and “1 [MHz]” on the vertical axis Select the straight line that matches or is closest to the intersection of.
  • the straight line L04 at the intersection is selected.
  • a straight line L04 shown in FIG. 11 is obtained by calculating an “upper limit frequency” for a litz wire having a strand diameter of 100 [ ⁇ m]. Therefore, wire diameter [Phi 1 acquired in Step S15 becomes 100 [ ⁇ m].
  • the same result can be obtained by repeating the calculation. That is, by repeating the calculation of the expression (4) for each of the wire diameters of 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 [ ⁇ m] and various cross-sectional areas, FIG. Since the same data as the upper limit frequency of the straight lines L01 to L08 shown in FIG. 11 is obtained, the wire diameter can be determined using this calculation result.
  • step S16 the optimum strand diameter of the design target litz wire is determined based on the result of step S15. That is, since the wire diameter [Phi 1 obtained in step S15 is a wire diameter corresponding to the "upper limit frequency” and supplies the alternating current of the "upper limit frequency” in the corresponding Litz wire, in a low frequency region Loss increases compared to this. Therefore, in order not to increase the loss, it is necessary to use a frequency lower than the “upper limit frequency”. Conversely, in order to prevent an increase in loss when used at the same frequency as the “upper limit frequency”, it is necessary to adopt a thinner optimum wire diameter ⁇ .
  • step S16 to determine the optimal wire diameter [Phi from wire diameter [Phi 1 obtained in step S15. That is, the wire diameter ⁇ satisfying the relational expression (5) or (12) is obtained. Therefore, for example, when ⁇ 1 obtained in step S15 is 100 [ ⁇ m], the optimum strand diameter ⁇ is determined to be 50 [ ⁇ m] which is 1 ⁇ 2 of ⁇ 1 .
  • the optimum wire diameter [Phi It is also possible to seek immediately. For example, if the data of the wire diameter ⁇ corrected by converting the “upper limit frequency” of the graph shown in FIG. The wire diameter ⁇ can also be obtained.
  • the parameter input screen 10 shown in FIG. 2 includes a condition input unit 10a and a result display unit 10b.
  • the condition input unit 10a is prepared to input information representing processing conditions, and can input numerical values of “cross-sectional area”, “frequency”, and “element diameter”. In addition, by checking one of the check boxes of “cross-sectional area”, “frequency”, and “wire diameter”, a corresponding numerical value can be designated as an unknown parameter.
  • the result display unit 10b displays the result of the calculation process. Although the result display section 10b has display items of “cross-sectional area”, “frequency”, and “element diameter”, the calculation result of the unknown parameter designated by the condition input section 10a is displayed.
  • FIG. 3 shows the processing procedure of the AC wire specification determination support method when using the parameter input screen 10 of FIG.
  • the process of FIG. 3 includes step S10B for inputting the specifications of the litz wire to be designed and step S20B for automatically calculating the optimum value of the litz wire.
  • the processing procedure of FIG. 3 will be described below.
  • step S21 the computer of the calculation processing unit accepts input from the user to the condition input unit 10a. That is, here, as shown in FIG. 2, it is assumed that the “element diameter” is an unknown parameter, and therefore, the values of “cross-sectional area” and “frequency” are input as known parameters.
  • step S22 the computer of the calculation processing unit acquires the above-mentioned “lower limit frequency”. That is, the “lower limit frequency” is obtained by substituting the value of the cross-sectional area input in step S21 into the equation (11) and calculating it.
  • the calculation result of the lower limit frequency for each cross-sectional area is stored in advance as data such as a straight line L09 shown in FIG. 11, for example, the lower limit frequency corresponding to the cross-sectional area can be acquired immediately.
  • step S23 the “lower limit frequency” obtained in step S22 is compared with the “drive frequency” determined in step S21. If the condition (“drive frequency”> “lower limit frequency”) is satisfied, the process proceeds to step S25. If not, the process proceeds to step S24. In step S24, it is determined that a normal electric wire (stranded wire: single core wire) is used instead of the litz wire.
  • a normal electric wire stranded wire: single core wire
  • step S25 based on the cross-sectional area and frequency determined in step S21, it acquires the wire diameter [Phi 1 corresponding to "upper limit frequency" above. Furthermore, it outputs 1/2 of the value of the wire diameter [Phi 1 result display unit 10b calculated as an optimal wire diameter [Phi.
  • a lower limit frequency acquisition step (S12, S22) for acquiring a lower limit frequency representing a lower limit of a range in which the litz wire has an advantage over a single core wire based on the cross-sectional area input as the known parameter;
  • a selection step (S14, S15, S24, S25) for comparing the frequency input as the known parameter with the lower limit frequency (S13, S23) and selecting either the litz wire or the single core wire.
  • the specification determination support method of the alternating current electric wire which has.
  • a method for supporting specification determination of an AC electric wire wherein the information on the wire diameter is acquired using a table that holds in advance information on the upper limit frequency in each of the above.
  • a specification determination support method for an AC electric wire according to [1] In the optimum value calculating step (S20, S20B), the specific frequency is set to the same frequency as the upper limit frequency, and the Litz having the characteristic of the corresponding upper limit frequency based on the cross-sectional area and the frequency input as the known parameters
  • An AC electric wire specification determination support method that acquires a wire diameter of a wire and outputs an optimum value calculated based on the wire diameter as the unknown parameter.
  • An AC wire specification determination support apparatus comprising: a calculation processing unit that acquires a strand diameter of a litz wire that is an unknown parameter and outputs the strand diameter.
  • any of the cross-sectional area of the wire, the outer diameter of each wire constituting the wire, and the frequency to be used in an environment where either a litz wire or a single core wire corresponding to the other wire can be selected.
  • a specification determination support program executable by a computer for obtaining one unknown parameter as an unknown parameter of a wire specification,
  • a specification setting step (S10, S10B) for inputting the cross-sectional area of the entire electric wire and the frequency of the condition under which the electric wire is used as a known parameter of the electric wire specification; Based on the specific frequency determined based on the upper limit frequency representing the upper limit of the range in which the litz wire of each wire diameter has an advantage over the single core wire, and the cross-sectional area and frequency input as the known parameters,
  • An optimum value calculation step (S20, S20B) for obtaining a strand diameter of a litz wire that is an unknown parameter.
  • the present invention relates to a specification determination support method, a specification determination support device, and a specification determination support program for an AC electric wire, and an electric vehicle (EV) that needs to pass a large AC current and a hybrid vehicle that uses an electric motor as an auxiliary power source. This is useful as a technique for supporting the determination of the optimum specification of electric wires such as litz wires used in applications such as (HEV).
  • EV electric vehicle
  • Parameter input screen (parameter input section) 10a Condition input section 10b Result display section L01 to L08 Straight line representing upper limit frequency L09 Straight line representing lower limit frequency ⁇ 1 Wire diameter corresponding to upper limit frequency ⁇ Optimal wire diameter

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Insulated Conductors (AREA)

Abstract

　本発明の交流電線の仕様決定支援方法は、電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力する入力ステップ（Ｓ１０）と、各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得する計算ステップ（Ｓ２０）とを有する。

Description

交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラム
　本発明は交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラムに関し、リッツ線等の電線の最適な仕様決定を支援するための技術に関する。
　電気信号の伝送や交流電流を流すために用いる電線については、周波数が高くなるにつれて電線の導体を通る電流が導体の表面に近い領域に偏って流れるようになる。この現象は表皮効果と呼ばれている。そのため、電線に高周波電流を流す場合には、周波数が低い場合と比べて電流が流れにくくなる。つまり、高周波領域では導線内の電流密度分布の偏りによって実質的に電気抵抗が増大するため、電力損失や発熱が増大する。
　リッツ線は、このような高周波電流を流すのに適した構造を有している。リッツ線は、それぞれの表面が絶縁層で覆われた細い導線（例えばエナメル線のようなマグネットワイヤ）を多数撚り合わせて構成した電線である。各々の導線は素線と呼ばれる。互いに隣接する素線同士が絶縁されているので、リッツ線を構成する導体全体の表面積は断面積が同じ一般的な導線と比べると非常に大きくなる。従って、リッツ線を流れる高周波電流が各素線の表面近傍に偏って流れる場合でも、比較的小さい抵抗で電流を流すことができる。つまり、高周波領域でも電力損失や発熱の増大を抑制できる。このようなリッツ線の構造や製造方法に関する技術が、特許文献１に開示されている。
日本国特開２００８－２６２７１２号公報
　ところで、動力源として電気モータを使用するＥＶ、ＨＥＶなどの自動車においては、車両上の様々な箇所の配線に大電流の交流電流を流す必要が生じる。また、車両上のバッテリーに充電するために、あるいは車両が走行中に使用する電力を道路側の設備から直接給電するために、電磁誘導等を利用した非接触給電装置を自動車に搭載する可能性も考えられる。従って、今後の車両については、各部の電気配線（電線）に対して交流の大電流を流す必要性が高まると考えられる。
　しかし、電線に交流電流を流す場合には、特に周波数が高くなった時に、表皮効果の影響で電線自体に生じる電力損失が増大する。従って、交流の大電流を流す場合には電線の損失の大きさが大きな問題となる。
　そこで、交流の大電流を流す必要のある電線については、上述のリッツ線を採用し、高周波領域における損失を減らすことが考えられる。しかしながら、リッツ線等の電線に生じる損失については、電線全体の断面積や、リッツ線を構成する多数の素線の素線径の違いに応じて大きく変化する。しかも、素線径が細くなってリッツ線を構成する素線の数が増えると、材料のコストや製造のコストが大幅に上昇する可能性があり、想定する仕様に対して損失が十分に小さく、しかもコストの低い構造を有するリッツ線等の電線を採用しなければならない。
　一方、設計者がこれから作成しようとするリッツ線について損失の大きさを把握するためには、コンピュータを用いたシミュレーション装置により、高度なシミュレーションを行わなければならない。特に、リッツ線は複雑な３次元形状を有しているので、一般的には対象となる電線全体の３次元形状を模擬したモデルを作成し、このモデルに基づいて大量の計算処理を繰り返す必要がある。
　従って、高価なシミュレーション装置を利用し、しかも長い時間をかけて計算を行わないと、リッツ線の損失特性を把握できなかった。そのため、電線全体の断面積、素線径等の条件が異なる様々な仕様の中で、コストも考慮して最適な仕様の電線を選択するためには、更に膨大な計算を行う必要があった。また、例えば車両側の仕様変更に伴って電線に流す電流の大きさや周波数が変化すると、電線に要求される損失の大きさも変わるので、その都度計算をやり直す必要があった。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高価なシミュレーション装置を利用することなく、更に計算処理に長い時間をかけることなく、交流の大電流を流す必要のある電線の仕様決定を支援することが可能な、交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラムを提供することにある。
　前述した目的を達成するために、本発明に係る交流電線の仕様決定支援方法は、下記（１）～（５）を特徴としている。
（１）　リッツ線およびそれ以外の電線に相当する単芯線のいずれかを選択可能な環境で、電線の断面積、電線を構成する各素線の外径、および使用する周波数の中のいずれか１つを電線仕様の未知パラメータとし、前記未知パラメータを得るための交流電線の仕様決定支援方法であって、
　電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力する入力ステップと、
　各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得する計算ステップと
　を有すること。
（２）　上記（１）に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
　前記既知パラメータとして入力された前記断面積に基づき、リッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の下限を表す下限周波数を取得する下限周波数取得ステップと、
　前記既知パラメータとして入力された前記周波数と前記下限周波数とを比較して、前記リッツ線および単芯線のいずれか一方を選択する選択ステップと
　を更に有すること。
（３）　上記（１）に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
　前記計算ステップでは、前記上限周波数と、素線径と、電線全体の断面積との関係を表す予め定めた近似式を利用し、複数の素線径の電線について、前記上限周波数をそれぞれ算出すること。
（４）　上記（１）に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
　前記計算ステップでは、前記上限周波数と、素線径と、電線全体の断面積との関係を表す予め定めた近似式に基づいて算出される複数の素線径の電線のそれぞれにおける前記上限周波数の情報を予め保持するテーブルを利用して、前記素線径の情報を取得すること。
（５）　上記（１）に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
　前記計算ステップでは、前記特定周波数を前記上限周波数と同じ周波数に定め、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数に基づいて、対応する上限周波数の特性を有するリッツ線の素線径を取得し、前記素線径に基づいて算出した最適値を前記未知パラメータとして出力すること。
　上記（１）の構成の交流電線の仕様決定支援方法によれば、設計対象の電線の断面積および周波数を入力するだけで、必要な電気特性を有する電線を比較的低コストで製造するための条件として、適切な素線径を簡単に取得することができる。
　上記（２）の構成の交流電線の仕様決定支援方法によれば、設計対象の電線に通電する電流の周波数が比較的低い場合に、最適な選択肢として、リッツ線よりも低コストの単芯線を選択することが可能になる。
　上記（３）の構成の交流電線の仕様決定支援方法によれば、事前に計算した結果のデータを保持する必要がないので、容量の大きいメモリを搭載しない装置（コンピュータ等）であっても目的の素線径を算出することができる。
　上記（４）の構成の交流電線の仕様決定支援方法によれば、事前に計算して求められたデータを保持するテーブルを利用するので、複雑な計算処理を繰り返す必要がなく、比較的処理能力の低い装置（コンピュータ等）であっても短時間で結果を得ることが可能になる。
　上記（５）の構成の交流電線の仕様決定支援方法によれば、前記上限周波数に対応する素線径に比べて十分に小さい素線径を最適値として採用することができる。その結果、周波数が高い領域で電線の損失が増大するのを防止できる。
　前述した目的を達成するために、本発明に係る交流電線の仕様決定支援装置は、下記（６）を特徴としている。
（６）　リッツ線およびそれ以外の電線に相当する単芯線のいずれかを選択可能な環境で、電線の断面積、電線を構成する各素線の外径、および使用する周波数の中のいずれか１つを電線仕様の未知パラメータとし、前記未知パラメータを得る機能を有する交流電線の仕様決定支援装置であって、
　電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力するパラメータ入力部と、
　各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得し、前記素線径を出力する計算処理部と
　を有すること。
　上記（６）の構成の交流電線の仕様決定支援装置によれば、設計対象の電線の断面積および周波数を入力するだけで、必要な電気特性を有する電線を比較的低コストで製造するための条件として、適切な素線径を簡単に取得することができる。
　前述した目的を達成するために、本発明に係る仕様決定支援プログラムは、下記（７）を特徴としている。
（７）　リッツ線およびそれ以外の電線に相当する単芯線のいずれかを選択可能な環境で、電線の断面積、電線を構成する各素線の外径、および使用する周波数の中のいずれか１つを電線仕様の未知パラメータとし、前記未知パラメータを得るためのコンピュータが実行可能な仕様決定支援プログラムであって、
　電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力する入力ステップと、
　各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得する計算ステップと
　を有すること。
　上記（７）の構成の仕様決定支援プログラムを所定のコンピュータで実行することにより、設計対象の電線の断面積および周波数を入力するだけで、必要な電気特性を有する電線を比較的低コストで製造するための条件として、適切な素線径を簡単に取得することができる。
　本発明の交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラムによれば、高価なシミュレーション装置を利用することなく、更に計算処理に長い時間をかけることなく、交流の大電流を流す必要のある電線の仕様決定を支援することが可能である。特に、設計対象の電線の断面積および周波数を入力するだけで、必要な電気特性を有する電線を比較的低コストで製造するための条件として、適切な素線径を簡単に取得することができる。
　以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。
図１は、実施形態の交流電線の仕様決定支援方法の処理手順（１）を示すフローチャートである。 図２は、パラメータ入力画面の外観構成例を示す正面図である。 図３は、実施形態の交流電線の仕様決定支援方法の処理手順（２）を示すフローチャートである。 図４は、３種類のリッツ線及び単芯線の周波数－抵抗特性を示すグラフである。 図５は、図４の特性の周波数の低い領域を拡大して示すグラフである。 図６は、図４の特性の周波数の高い領域を拡大して示すグラフである。 図７は、各電線の上限周波数、下限周波数と断面積との関係を表すグラフである。 図８は、素線径とα、βとの関係を表すグラフである。 図９は、各電線の上限周波数と断面積との関係について近似式の計算結果とシミュレーションの結果とを対比して示すグラフである。 図１０は、下限周波数と断面積との関係について近似式の計算結果とシミュレーションの結果とを対比して示すグラフである。 図１１は、近似式の計算結果として得られた各電線の上限周波数、下限周波数と断面積との関係の一覧を表すグラフである。 図１２は、リッツ線の断面構成例を示す模式図である。
　本発明の交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラムに関する具体的な実施の形態について、各図を参照しながら以下に説明する。
＜仕様決定支援のための基本原理＞
　＜リッツ線の構成例＞
　リッツ線は、例えば図１２に示すような断面構造を有している。図１２においては、リッツ線の長さ方向（Ｚ方向）の互いに異なる位置におけるＸ，Ｙ平面と平行な各々の断面を表しており、各々の素線の位置にそれを特定する番号を示してある。
　すなわち、多数の素線を撚り合わせてリッツ線を構成してある。各々の素線のＸ，Ｙ平面内の位置は、リッツ線の長さ方向の位置の変化に伴って図１２のように変化する。また、リッツ線を構成する多数の素線は外周面が電気的に絶縁されているので、互いに隣接する素線同士は電気的に独立している。そして、リッツ線の長さ方向の両端部で、全ての素線が互いに電気的に接続される。
　なお、一般的な電線（撚り線）の場合には、外周面が絶縁されていない普通の素線の集合により構成される。このような電線を、ここでは単芯線と呼ぶ。
　従って、リッツ線は単芯線と比べて材料コストや製造コストが高くなる。特に、素線径が非常に細いリッツ線の場合には、素線数が増えるだけでなく、リッツ線の両端部において多数の素線の全てを確実に電気接続しなければならず、製造コストが増大する。
　＜電線の周波数特性＞
　３種類のリッツ線及び単芯線の周波数－抵抗特性が図４に示されている。すなわち、素線径が１０μｍの多数の素線で構成されたリッツ線と、素線径が５０μｍの多数の素線で構成されたリッツ線と、素線径が１００μｍの多数の素線で構成されたリッツ線と、単芯線（断面積が２ｍｍ２）の特性が示されている。また、図４の縦軸は、各電線の抵抗Ｒｓ［Ω／ｍ］を表している。また、図４の特性の周波数の低い領域（１ｋＨｚ～１００ｋＨｚ）を拡大した状態が図５に示されており、図４の特性の周波数の高い領域（１００ｋＨｚ～１００ＭＨｚ）を拡大した状態が図６に示されている。
　＜下限周波数の定義＞
　図５に示した例では、単芯線の抵抗Ｒｓについては、直流から約７．６ｋＨｚまでの周波数範囲ではほぼ一定であり、約７．６ｋＨｚ以上では周波数の上昇に伴って抵抗も増大する傾向が現れている。一方、素線径が異なる３種類のリッツ線のいずれについても、図５では抵抗はほとんど変化していない。
　つまり、約７．６ｋＨｚ以上の周波数では、リッツ線を採用することにより、単芯線の場合と比べて確実に抵抗、すなわち電力損失の増大を抑制できる。しかし、約７．６ｋＨｚ未満の周波数領域で電線を使用する場合には、リッツ線と単芯線のいずれを採用しても抵抗に違いは生じない。また、コストを考慮すると約７．６ｋＨｚ未満の周波数領域では単芯線を採用する方が望ましい。
　そこで、図５における約７．６ｋＨｚの周波数のように、単芯線と比べてリッツ線の効果が現れる周波数範囲の下限の周波数を、ここでは「下限周波数」と定義する。
　＜上限周波数の定義＞
　一方、図６に示すように、周波数が高くなると周波数の上昇と共にリッツ線の抵抗も急激に増大する傾向になる。そして、ある周波数を越えるとリッツ線の抵抗が単芯線の抵抗を上回る状態になる。つまり、単芯線に対してリッツ線の効果が得られる周波数の範囲には上限があることを意味している。
　そこで、リッツ線の抵抗が単芯線の抵抗と同等になる周波数を「上限周波数」と定義する。すなわち、通電する交流電流の周波数がこの「上限周波数」を越えると、リッツ線の優位性が失われることになる。また、図６に示すように、素線径が異なるリッツ線は、互いに異なる「上限周波数」になる。
　図６に示す例では、具体的な「上限周波数」は次のようになっている。
素線径が１０μｍのリッツ線：　約２４ＭＨｚ、
素線径が５０μｍのリッツ線：　約２．８ＭＨｚ
素線径が１００μｍのリッツ線：約９５０ｋＨｚ
　＜上限周波数、下限周波数と断面積との関係＞
　各電線の上限周波数、下限周波数と断面積との関係をコンピュータシミュレーションにより求めた結果が図７に示されている。
　図７を参照すると、前記「上限周波数」は断面積に対して指数関数的に変化していることが分かる。従って、これらの関係を次の近似式で表現することができる。
ｆ＝α・Ｓ－β　　　　　・・・（１）
　ｆ：上限周波数［Ｈｚ］
　Ｓ：断面積［ｍｍ２］
　α，β：係数
　＜係数α，βと素線径との関係＞
　上記係数α，βについては、次の表１に示すように、素線径毎に求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　また、素線径と係数α、βとの関係をグラフで表すと図８のようになる。また、図８を参照すると前記係数α、βのそれぞれは素線径に対して指数関数的に変化している。従って、各係数α、βと素線径との関係を次の近似式で表現することができる。
α＝（７．３５７Ｅ＋８）Φ（－１．３９２）　　　 ・・・・（２）
β＝（３．４４０Ｅ－１）Φ（－１．１３１Ｅ－２）　　　・・・・（３）
　Φ：素線径［μｍ］
　従って、前記第(１)式～第(３)式から前記「上限周波数」ｆは次式で表される。
ｆ＝（７.３５７Ｅ＋８）Φ１ （－１．３９２）・Ｓ－｛３．４４０Ｅ－１ Φ 1 (-1.131Ｅ-2)｝　・・・（４）
　Φ１：上限周波数ｆに対応する素線径［μｍ］
　各電線の上限周波数と断面積との関係について、近似式である前記第(４)式の計算結果とシミュレーションの結果とを対比したグラフが図９に示されている。図９の内容を参照すると、前記第(４)式の計算結果とシミュレーションの結果とがほぼ一致することが分かる。つまり、前記第(４)式の近似式を利用すれば、各電線の上限周波数と断面積との関係をほぼ正確に把握できる。
　＜望ましい周波数と素線径との関係＞
　但し、図６の内容から分かるように、リッツ線の抵抗と単芯線の抵抗とが一致する前記上限周波数では、抵抗Ｒｓは周波数の低い領域よりも増大している。つまり、前記上限周波数に対応する周波数の電流をリッツ線に通電すると、周波数の低い領域よりも大きな損失が発生する。
　そのため、使用するリッツ線における損失の増大を防ぐためには、前記上限周波数よりも十分に周波数が低い領域で使用する必要がある。逆に、前記上限周波数に対応する周波数の電流を通電しようとする場合は、前記第(４)式から算出される素線径Φ１よりも十分に径が細い素線を用いてリッツ線を構成する必要がある。従って、例えば次の関係式の条件を満たすような素線径を採用すればよい。
Φ≦Φ１／２　　・・・（５）
　Φ ：上限周波数で使用する場合の望ましい素線径［μｍ］
　Φ１：第(４)式から求められる上限周波数に対応する素線径［μｍ］
　＜下限周波数の計算＞
　前述の「下限周波数」は、単芯線の抵抗が増加する周波数であり、この変化は渦電流に起因する。つまり、「下限周波数」は表皮厚さδが単芯線の半径ｒ以下になる周波数を意味する。従って、以下に示す計算により「下限周波数」を求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ｒ：単芯線の半径［ｍ］
　δ：表皮厚さ［ｍ］
　ρ：抵抗率［Ω・ｍ］
　ω：角周波数（＝２πｆ）
　ｆ：周波数［Ｈｚ］
　μ：透磁率（＝４π×１０－７）［Ｈ／ｍ］
　上記第(６)式、第(７)式を周波数ｆについて解くと次のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、電線の断面積Ｓは（πｒ２）である。従って、上記第(１０)式は次式のように変形できる。
ｆ＝ρ／（Ｓμ）　　　・・・・（１１）
　ｆ：下限周波数［Ｈｚ］
　ρ：抵抗率［Ω・ｍ］
　Ｓ：断面積［ｍ２］
　μ：透磁率（＝４π×１０－７）［Ｈ／ｍ］
　上述の下限周波数ｆと断面積Ｓとの関係について上記第(１１)式の計算結果とシミュレーションで得られた結果とを対比したグラフが図１０に示されている。図１０を参照すると、前記第(１１)式の計算結果とシミュレーションの結果とがほぼ一致していることが分かる。すなわち、前記第(１１)式を用いて正確な下限周波数ｆを求めることができる。
　＜近似式から得られた上限周波数、下限周波数と断面積との関係＞
　前記第(４)式、第(１１)式の近似式の計算結果として得られた各電線の上限周波数、下限周波数と断面積及び素線径の関係の一覧が図１１に示されている。つまり、各素線径のリッツ線の効果が得られる周波数の範囲は、図１１に示した下限周波数と上限周波数との間である。
　但し、図１１に示す上限周波数以下の周波数であっても、周波数が高くなると低周波領域と比べて抵抗Ｒｓが増大するので、抵抗Ｒｓの増大を防止するためには、実際のリッツ線の素線径Φを、前記第(５)式の関係を満たすように、図１１に示す素線径Φ１よりも十分に小さくする必要がある。
　但し、素線径が細くなるに従って、抵抗Ｒｓは小さくなるがリッツ線のコストが増大するので、次式の条件を満たす素線径Φを採用するのが適切である。
Φ１／２０≦Φ≦Φ１／２　　　・・・・（１２）
＜交流電線の仕様決定支援方法の処理手順（１）＞
　本実施形態における交流電線の仕様決定支援方法の処理手順（１）が図１に示されている。すなわち、リッツ線の仕様である断面積、周波数、素線径に関する最適な値の決定を支援するための処理である。
　図１に示す処理手順は、大まかに分けると、設計対象の集合撚りされたリッツ線の仕様を定めるステップＳ１０と、リッツ線の最適値を計算するステップＳ２０とで構成されている。
　図１に示すステップＳ１１では、設計対象の電線に流す電流の許容上限値（許容電流）と、この電線に流す交流電流の周波数の最大値（駆動周波数）に基づいて、リッツ線の断面積および周波数を決定する。断面積の値については許容電流と電線を構成する材料（銅など）の抵抗率などに基づいて計算で求めることもできるし、事前に決定した値を直接入力しても良い。
　例えば、断面積として２［ｍｍ２］、周波数として１［ＭＨｚ］をステップＳ１１で入力することが想定される。
　ステップＳ１２では、前述の「下限周波数」を取得する。すなわち、前記第(１１)式にステップＳ１１で入力された断面積の値を代入しこれを計算することにより、「下限周波数」が得られる。また、断面積毎の下限周波数の計算結果が、例えば図１１に示す直線Ｌ０９のようなデータとして予め保持されている場合には、断面積に対応する下限周波数を直ちに取得することもできる。
　例えば、ステップＳ１１で決定された断面積が２［ｍｍ２］の場合には、この断面積に対応する「下限周波数」として６［ｋＨｚ］がステップＳ１２で得られる。
　ステップＳ１３では、ステップＳ１２で得られた「下限周波数」とステップＳ１１で決定した「駆動周波数」とを比較し、（「駆動周波数」＞「下限周波数」）の条件を満たす場合はステップＳ１５に進み、満たさない場合はステップＳ１４に進む。
　例えば、ステップＳ１１で決定された断面積が２［ｍｍ２］、周波数が１［ＭＨｚ］の場合には、（１ＭＨｚ＞６ｋＨｚ）なのでステップＳ１３からＳ１５に進む。
　ステップＳ１４に進む時には、（「駆動周波数」≦「下限周波数」）であり、リッツ線を採用しても通常の単芯線と比べて損失を減らすことができない状況である。従って、ステップＳ１４では、リッツ線の代わりに通常の電線（撚り線：単芯線）を使用することを決定する。
　ステップＳ１５では、ステップＳ１１で決定された断面積および周波数に基づき、前述の「上限周波数」に対応する素線径を取得する。
　例えば、図１１に示したグラフの内容に相当する計算結果のデータ群が所定のテーブル上に予め用意されている場合には、このグラフから素線径を求めることができる。すなわち、グラフ中の各リッツ線の「上限周波数」を表す直線Ｌ０１～Ｌ０８の中で、既に決定された断面積、周波数と対応する直線を選択し、この直線に対応する素線径を取得する。
　例えば、ステップＳ１１で決定された断面積が２［ｍｍ２］、周波数が１［ＭＨｚ］の場合には、グラフ横軸の「２［ｍｍ２］」、縦軸の「１［ＭＨｚ］」との交点と一致する、あるいは最も近い直線を選択する。図１１の例では、前記交点にある直線Ｌ０４を選択する。図１１に示す直線Ｌ０４は、素線径１００［μｍ］のリッツ線について「上限周波数」を計算して得られたものである。従って、ステップＳ１５で取得する素線径Φ１は１００［μｍ］になる。
　また、計算結果のデータを保持するテーブルを用意していない場合であっても、計算を繰り返すことにより、同じ結果を得ることができる。すなわち、１０，２０，５０，１００，２００，５００，１０００，２０００［μｍ］の素線径のそれぞれ、及び様々な断面積のそれぞれについて、前記第(４)式の計算を繰り返すことにより、図１１に示した直線Ｌ０１～Ｌ０８の上限周波数と同じデータが得られるので、この計算結果を利用して素線径を決定できる。
　ステップＳ１６では、設計対象のリッツ線の最適な素線径を、ステップＳ１５の結果に基づいて決定する。
　すなわち、ステップＳ１５で得られる素線径Φ１は前記「上限周波数」に相当する素線径であるため、この「上限周波数」の交流電流を該当するリッツ線に流すと、周波数が低い領域に比べて損失が増大する。従って、損失が増えないようにするためには、「上限周波数」よりも低い周波数で使用する必要がある。逆に、「上限周波数」と同じ周波数で使用する時に損失の増大を防ぐためには、より細い最適な素線径Φを採用する必要がある。
　図１に示した処理においては、電線の仕様として使用する周波数を先にステップＳ１１で指定する場合を想定しているので、この周波数における損失を十分に小さくしなければならない。そこで、ステップＳ１６では、ステップＳ１５で得られる素線径Φ１から最適な素線径Φを決定する。つまり、前述の第(５)式又は第(１２)式の関係式を満足する素線径Φを求める。従って、例えばステップＳ１５で得られたΦ１が１００［μｍ］の場合には、最適な素線径Φを、Φ１の１／２の５０［μｍ］に決定する。
　なお、図１に示した処理では、断面積および周波数を既知としてこれらに基づいて最適な素線径を決定する場合を想定しているが、素線径及び周波数を既知として断面積を決定したり、断面積及び素線径を既知として周波数を決定するような処理に変更することも可能である。
　また、図１に示した処理では、上限周波数に対応する素線径Φ１をステップＳ１５で決定してから最適な素線径Φを求める場合を想定しているが、最適な素線径Φを直ちに求めることも可能である。例えば、図１１に示すグラフの「上限周波数」をそれよりも十分に低い「使用周波数」に換算して修正した素線径Φのデータをテーブルに保持しておけば、ステップＳ１５で最適な素線径Φを得ることもできる。
＜交流電線の仕様決定支援方法の処理手順（２）＞
　図１に示したような計算処理を行う場合には、現実的には、例えばパーソナルコンピュータのような計算処理部（図示せず）を用いることにより、処理をある程度自動化することが可能であり、自動化により設計者等のユーザの負担を減らすことができる。また、このような計算処理部を用いる場合には、図２に示したパラメータ入力画面１０のようなＧＵＩ（Graphical User Interface）を利用することにより入力操作が容易になる。
　図２に示したパラメータ入力画面１０には、条件入力部１０ａと結果表示部１０ｂが備わっている。条件入力部１０ａは、処理の条件を表す情報を入力するために用意されており、「断面積」、「周波数」、「素線径」の数値を入力できる。また、「断面積」、「周波数」、「素線径」のいずれか１つのチェックボックスをチェックすることにより、該当する数値を未知パラメータとして指定することができる。結果表示部１０ｂには、計算処理の結果が表示される。結果表示部１０ｂには「断面積」、「周波数」、「素線径」の各表示項目があるが、条件入力部１０ａで指定された未知パラメータの計算結果が表示される。
　図２のパラメータ入力画面１０を使用する場合の交流電線の仕様決定支援方法の処理手順が図３に示されている。図３の処理には、設計するリッツ線の仕様を入力するステップＳ１０Ｂと、リッツ線の最適値を自動計算するステップＳ２０Ｂとが含まれている。図３の処理手順について以下に説明する。
　ステップＳ２１では、計算処理部のコンピュータが条件入力部１０ａに対するユーザからの入力を受け付ける。すなわち、ここでは図２に示すように「素線径」が未知パラメータの場合を想定しているので、「断面積」及び「周波数」の数値を既知のパラメータとして入力する。
　ステップＳ２２では、計算処理部のコンピュータが前述の「下限周波数」を取得する。すなわち、前記第(１１)式にステップＳ２１で入力された断面積の値を代入しこれを計算することにより、「下限周波数」が得られる。また、断面積毎の下限周波数の計算結果が、例えば図１１に示す直線Ｌ０９のようなデータとして予め保持されている場合には、断面積に対応する下限周波数を直ちに取得することもできる。
　ステップＳ２３では、ステップＳ２２で得られた「下限周波数」とステップＳ２１で決定した「駆動周波数」とを比較し、（「駆動周波数」＞「下限周波数」）の条件を満たす場合はステップＳ２５に進み、満たさない場合はステップＳ２４に進む。
　ステップＳ２４では、リッツ線の代わりに通常の電線（撚り線：単芯線）を使用することを決定する。
　ステップＳ２５では、ステップＳ２１で決定された断面積および周波数に基づき、前述の「上限周波数」に対応する素線径Φ１を取得する。更に、この素線径Φ１の１／２の値を計算し最適な素線径Φとして結果表示部１０ｂに出力する。
　ここで、上述した本発明に係る交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラムの実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］～［７］に簡潔に纏めて列記する。
［１］　リッツ線およびそれ以外の電線に相当する単芯線のいずれかを選択可能な環境で、電線の断面積、電線を構成する各素線の外径、および使用する周波数の中のいずれか１つを電線仕様の未知パラメータとし、前記未知パラメータを得るための交流電線の仕様決定支援方法であって、
　電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力する仕様設定ステップ（Ｓ１０、Ｓ１０Ｂ）と、
　各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得する最適値計算ステップ（Ｓ２０、Ｓ２０Ｂ）と
　を有する交流電線の仕様決定支援方法。
［２］　［１］に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
　前記既知パラメータとして入力された前記断面積に基づき、リッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の下限を表す下限周波数を取得する下限周波数取得ステップ（Ｓ１２、Ｓ２２）と、
　前記既知パラメータとして入力された前記周波数と前記下限周波数とを比較して（Ｓ１３、Ｓ２３）、前記リッツ線および単芯線のいずれか一方を選択する選択ステップ（Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ２４、Ｓ２５）と
　を更に有する交流電線の仕様決定支援方法。
［３］　［１］に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
　前記最適値計算ステップ（Ｓ２０、Ｓ２０Ｂ）では、前記上限周波数と、素線径と、電線全体の断面積との関係を表す予め定めた近似式を利用し、複数の素線径の電線について、前記上限周波数をそれぞれ算出する
　交流電線の仕様決定支援方法。
［４］　［１］に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
　前記最適値計算ステップ（Ｓ２０、Ｓ２０Ｂ）では、前記上限周波数と、素線径と、電線全体の断面積との関係を表す予め定めた近似式に基づいて算出される複数の素線径の電線のそれぞれにおける前記上限周波数の情報を予め保持するテーブルを利用して、前記素線径の情報を取得する
　交流電線の仕様決定支援方法。
［５］　［１］に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
　前記最適値計算ステップ（Ｓ２０、Ｓ２０Ｂ）では、前記特定周波数を前記上限周波数と同じ周波数に定め、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数に基づいて、対応する上限周波数の特性を有するリッツ線の素線径を取得し、前記素線径に基づいて算出した最適値を前記未知パラメータとして出力する
　交流電線の仕様決定支援方法。
［６］　リッツ線およびそれ以外の電線に相当する単芯線のいずれかを選択可能な環境で、電線の断面積、電線を構成する各素線の外径、および使用する周波数の中のいずれか１つを電線仕様の未知パラメータとし、前記未知パラメータを得る機能を有する交流電線の仕様決定支援装置であって、
　電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力するパラメータ入力部と、
　各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得し、前記素線径を出力する計算処理部と
　を有する交流電線の仕様決定支援装置。
［７］　リッツ線およびそれ以外の電線に相当する単芯線のいずれかを選択可能な環境で、電線の断面積、電線を構成する各素線の外径、および使用する周波数の中のいずれか１つを電線仕様の未知パラメータとし、前記未知パラメータを得るためのコンピュータが実行可能な仕様決定支援プログラムであって、
　電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力する仕様設定ステップ（Ｓ１０、Ｓ１０Ｂ）と、
　各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得する最適値計算ステップ（Ｓ２０、Ｓ２０Ｂ）と
　を有する仕様決定支援プログラム。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、2011年10月5日出願の日本特許出願（特願2011－221274）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明は交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラムに関し、交流の大電流を流す必要のある電気自動車（ＥＶ）や補助的な動力源として電気モータを使用するハイブリッド車（ＨＥＶ）などの用途で使用するリッツ線等の電線の最適な仕様決定を支援するための技術として有用である。
　１０　パラメータ入力画面（パラメータ入力部）
　１０ａ　条件入力部
　１０ｂ　結果表示部
　Ｌ０１～Ｌ０８　上限周波数を表す直線
　Ｌ０９　下限周波数を表す直線
　Φ１　上限周波数に対応する素線径
　Φ　最適な素線径

Claims (7)

  1. 　リッツ線およびそれ以外の電線に相当する単芯線のいずれかを選択可能な環境で、電線の断面積、電線を構成する各素線の外径、および使用する周波数の中のいずれか１つを電線仕様の未知パラメータとし、前記未知パラメータを得るための交流電線の仕様決定支援方法であって、
    　電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力する入力ステップと、
    　各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得する計算ステップと
    　を有する交流電線の仕様決定支援方法。
  2. 　請求項１に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
    　前記既知パラメータとして入力された前記断面積に基づき、リッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の下限を表す下限周波数を取得する下限周波数取得ステップと、
    　前記既知パラメータとして入力された前記周波数と前記下限周波数とを比較して、前記リッツ線および単芯線のいずれか一方を選択する選択ステップと
    　を更に有する交流電線の仕様決定支援方法。
  3. 　請求項１に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
    　前記計算ステップでは、前記上限周波数と、素線径と、電線全体の断面積との関係を表す予め定めた近似式を利用し、複数の素線径の電線について、前記上限周波数をそれぞれ算出する
    　交流電線の仕様決定支援方法。
  4. 　請求項１に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
    　前記計算ステップでは、前記上限周波数と、素線径と、電線全体の断面積との関係を表す予め定めた近似式に基づいて算出される複数の素線径の電線のそれぞれにおける前記上限周波数の情報を予め保持するテーブルを利用して、前記素線径の情報を取得する
    　交流電線の仕様決定支援方法。
  5. 　請求項１に記載の交流電線の仕様決定支援方法であって、
    　前記計算ステップでは、前記特定周波数を前記上限周波数と同じ周波数に定め、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数に基づいて、対応する上限周波数の特性を有するリッツ線の素線径を取得し、前記素線径に基づいて算出した最適値を前記未知パラメータとして出力する
    　交流電線の仕様決定支援方法。
  6. 　リッツ線およびそれ以外の電線に相当する単芯線のいずれかを選択可能な環境で、電線の断面積、電線を構成する各素線の外径、および使用する周波数の中のいずれか１つを電線仕様の未知パラメータとし、前記未知パラメータを得る機能を有する交流電線の仕様決定支援装置であって、
    　電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力するパラメータ入力部と、
    　各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得し、前記素線径を出力する計算処理部と
    　を有する交流電線の仕様決定支援装置。
  7. 　リッツ線およびそれ以外の電線に相当する単芯線のいずれかを選択可能な環境で、電線の断面積、電線を構成する各素線の外径、および使用する周波数の中のいずれか１つを電線仕様の未知パラメータとし、前記未知パラメータを得るためのコンピュータが実行可能な仕様決定支援プログラムであって、
    　電線全体の断面積および電線が使用される条件の周波数を電線仕様の既知パラメータとして入力する入力ステップと、
    　各素線径のリッツ線が単芯線に対して優位性を有する範囲の上限を表す上限周波数に基づき決定される特定周波数と、前記既知パラメータとして入力された前記断面積および周波数とに基づいて、未知パラメータであるリッツ線の素線径を取得する計算ステップと
    　を有する仕様決定支援プログラム。
PCT/JP2012/075848 2011-10-05 2012-10-04 交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラム WO2013051665A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011221274A JP5854747B2 (ja) 2011-10-05 2011-10-05 交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラム
JP2011-221274 2011-10-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013051665A1 true WO2013051665A1 (ja) 2013-04-11

Family

ID=48043818

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/075848 WO2013051665A1 (ja) 2011-10-05 2012-10-04 交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラム

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5854747B2 (ja)
WO (1) WO2013051665A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107944075A (zh) * 2017-10-19 2018-04-20 中国石油天然气集团公司 针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法和装置
CN113168490A (zh) * 2018-12-14 2021-07-23 欧姆龙株式会社 设计辅助装置以及设计辅助程序

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6511934B2 (ja) * 2015-04-21 2019-05-15 日立金属株式会社 ワイヤーハーネス設計装置及び設計方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008262712A (ja) * 2007-03-20 2008-10-30 Yazaki Corp 高周波用電線、それを備えたワイヤハーネス、高周波用電線の製造方法、および高周波用電線を製造するための製造装置
WO2012023378A1 (ja) * 2010-08-20 2012-02-23 株式会社フジクラ 電線、コイル、電線の設計装置及び電気モータ

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008262712A (ja) * 2007-03-20 2008-10-30 Yazaki Corp 高周波用電線、それを備えたワイヤハーネス、高周波用電線の製造方法、および高周波用電線を製造するための製造装置
WO2012023378A1 (ja) * 2010-08-20 2012-02-23 株式会社フジクラ 電線、コイル、電線の設計装置及び電気モータ

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BARTOLI MASSIMO ET AL.: "Modeling Litz-wire Winding Losses in High-Frequency Power Inductors", 27TH ANNUAL IEEE POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE, vol. 2, 1996, pages 1690 - 1696, Retrieved from the Internet <URL:http://ieeexplore.ieee.org> [retrieved on 20121204] *
TSUTOMU MIZUNO ET AL.: "Consideration on Influences of Number of Strands on AC Resistance of Litz Wire", JOURNAL OF THE JAPAN SOCIETY OF APPLIED ELECTROMAGNETICS AND MECHANICS, vol. 18, no. 3, 10 September 2010 (2010-09-10), pages 300 - 305, Retrieved from the Internet <URL:http://ci.nii.ac.jp> [retrieved on 20121204] *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107944075A (zh) * 2017-10-19 2018-04-20 中国石油天然气集团公司 针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法和装置
CN107944075B (zh) * 2017-10-19 2021-07-09 中国石油天然气集团公司 针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法和装置
CN113168490A (zh) * 2018-12-14 2021-07-23 欧姆龙株式会社 设计辅助装置以及设计辅助程序

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013080441A (ja) 2013-05-02
JP5854747B2 (ja) 2016-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9425662B2 (en) Electric wire, coil, device for designing electric wire, and electric motor
CN102097169A (zh) 高频用电线
JP5957428B2 (ja) 高周波電線およびその製造方法
JP2015062101A (ja) ケーブル面外変形予測方法およびケーブル面外変形の予測装置
WO2013051665A1 (ja) 交流電線の仕様決定支援方法および仕様決定支援装置ならびに仕様決定支援プログラム
Liu et al. Calculation of core loss and copper loss in amorphous/nanocrystalline core-based high-frequency transformer
JPWO2015083456A1 (ja) 高周波用電線およびコイル
JP2013088977A (ja) リッツ線の電気特性解析方法および電気特性解析プログラムならびに電気特性解析装置
Wojda et al. Copper-clad aluminum windings as an alternative conductor for high-power electric vehicle wireless charging
JP6525075B2 (ja) ケーブル変形予測方法
JP6279286B2 (ja) 磁界発生装置
JP5683677B1 (ja) 超電導ケーブルの製造方法および電流分布解析プログラム
Fejérvári et al. Electromagnetic modeling of coils made of twisted litz wire by combining finite element simulation and circuit laws
Laney Analysis and application of transmission line conductors
Guan et al. AC resistance of copper clad aluminum wires
JP2011253238A (ja) リッツ線の電気特性解析方法および電気特性解析プログラムならびに電気特性解析装置
JP2011210675A (ja) Ｌａｎ用パッチコード
CN115859719A (zh) 一种高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真方法
JP2021077773A (ja) コイル設計支援プログラム、及びコイル製造方法
JP2014056764A (ja) リッツ線および高周波給電用コイル

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12837833

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12837833

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1