电线的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电线。本发明的电线（10）包括以下构件。（a）导线（12b），其被沿该导线（12b）长度方向延伸的第一绝缘膜（13a）分割为多个区域。（b）第二绝缘膜（13b），其用于在导线（12b）的长度方向上覆盖该导线（12b）的周围。（c）导管（15），其隔着第二绝缘膜（13b）以无间隙的方式在导线（12b）的长度方向上包围上述导线（12b）。导线（12b）的被分割成的区域的短径小于使用频率下的趋肤深度的两倍。导管（15）的壁厚小于使用频率下的趋肤深度。
【专利说明】电线
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适合电机(电动机)线圈、发电机线圈、或者输电线的电线。
【背景技术】
[0002]电机的定子通过在定子芯的周围卷绕线圈绕线而成。通过向该线圈绕线中流入规定频率的电流来驱动电机。高频电流在线圈绕线中流动时，电流密度在线圈绕线的表面升高，而在线圈绕线的内部降低。将该现象称为趋肤效应。频率越高电流越向表面集中，结果，电线的电阻值增加。
[0003]图6是普通的电机100的剖视图(专利文献I ;日本特开2010 — 28958)。电机100包括定子101 (定子)和转子102 (转子)。定子线圈104卷绕在定子芯103的周围。转子102以旋转轴105为中心地旋转。
[0004]图6的左下部是定子线圈104的放大剖视图。定子线圈104通过将截面为圆形的线圈绕线106卷绕多层而成。线圈绕线106即使卷绕成几何学上的完全的密集六方体阵列，也会在线圈绕线106之间产生截面面积的约10%的间隙。由于实际上不能缠绕成完全的密集六方体阵列，因此会产生更大的间隙。在 申请人:的实验中，即便非常注意地卷绕线圈绕线106，也产生了截面面积的约30%的间隙。因此，在卷绕了截面为圆形的线圈绕线106时，难以提高定子线圈104的电流密度。
[0005]图7表示以往其他的电机的定子线圈110的剖视图(专利文献2 ;日本特开2009 —225507)。定子线圈110卷绕在定子芯111的周围。由于该定子线圈110的线圈绕线112的截面为长方形，因此，能够几乎无间隙地卷绕在定子芯111的周围。因此，与截面为圆形的线圈绕线106 (图6)相比，能够提高定子线圈110的电流密度。
[0006]在流入到电机中的电流频率升高时，会在线圈绕线中产生趋肤效应。图8是表示由趋肤效应导致电流密度降低的曲线图。图8的横轴为电流频率(frequency)，其左纵轴为趋肤深度(skin depth),其右纵轴为相对电流密度(relative current density)。图8的右纵轴的相对电流密度是将直流的情况作为100%而进行表示的。图8是以截面为
3.2mmXl.7mm的长方形的铜制线圈绕线为模型得出的计算值。
[0007]从图8可知，在截面为3.2mmXl.7mm的长方形的铜制线圈绕线的情况下，在电流的频率大于约4kHz时，相对电流密度开始降低。在电流的频率为约30kHz时相对电流密度降低到50%，在电流的频率为约200kHz时相对电流密度降低到20%。因此，在以高频电流驱动电机时，由线圈绕线的趋肤效应导致电流密度降低会成为问题。
[0008]通过增加线圈绕线的表面积(S卩，将线圈绕线减细，增多根数)，能够减轻线圈绕线的趋肤效应的影响。为了无间隙地卷绕线圈绕线，期望线圈绕线的截面为矩形。但是，将截面为矩形的较细的线圈绕线无间隙地卷绕在生产技术上是困难的。截面为圆形的线圈绕线即使细也能够容易地密集地卷绕。但是，由于线圈绕线之间的间隙是不可避免的，因此难以提高电流密度。
[0009]专利文献1:日本特开2010 - 28958号公报[0010]专利文献2:日本特开2009 - 225507号公报
[0011]截面为圆形的线圈绕线即使细也能够密集地缠绕。但是，由于线圈绕线之间的间隙是不可避免的，因此难以提高电流密度。截面为矩形的较细的线圈绕线只要能够无间隙地卷绕，就能够提高电流密度。但是，实际上难以无间隙地卷绕。因此，以往提高电流密度和减轻趋肤效应未能同时成立。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于实现一种能够减少趋肤效应的影响、能够提高电流密度，能够无间隙地卷绕的线圈用电线。本发明的电线并不限定用于线圈，也能够用于输电线等。
[0013](I)本发明的电线包括以下构件。(a)导线，其被沿该导线长度方向延伸的第一绝缘膜分割为多个区域。(b)第二绝缘膜，其用于在导线的长度方向上覆盖该导线的周围。(C)导管，其隔着第二绝缘膜以无间隙的方式在导线的长度方向上包围该导线。
[0014](2)本发明的电线中，导线的被分割成的多个区域的短径小于使用频率下的趋肤深度的两倍。导管的壁厚小于使用频率下的趋肤深度。
[0015](3)本发明的电线在导管的外表面具有绝缘膜。
[0016](4)本发明的电线中，导管的截面外形为圆形、矩形或者正六边形。
[0017](5)本发明的电线中，导线及导管的材质为铜、铜合金、铝、铝合金中的意一种或者它们的组合。
[0018](6)本发明的电线的制造方法包括以下工序。(a)准备导体带的工序。(b)准备表面被绝缘膜包覆的多个细导线的工序。(C)将多个细导线对齐方向地放在导体带上的工序。(d)卷起导体带，将导体带的长度方向端面接合而形成导管，将多个细导线收纳在导管内的工序。(e)将导管及多个细导线一体化，形成具有被第一绝缘膜分割成的多个区域的导线，同时利用导管隔着第二绝缘膜以无间隙的方式在导线的长度方向上包围该导线的工序。
[0019](7)本发明的电线制造方法包括将一体化了的导管及导线退火的工序。
[0020](8)本发明的电线制造方法包括用绝缘膜包覆导管的外表面的工序。
[0021]采用本发明，实现了一种即使流入高频电流趋肤效应的影响也较少、能够容易地无间隙地卷绕而能够提高电流密度的电线。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1的(a)是本发明所采用的细导线的剖视图，图1的(b)是本发明所采用的细导线束的剖视图，图1的(C)是本发明所采用的细导线束和导管的剖视图，图1的(d)是本发明所采用的导线和导管的剖视图，图1的(e)是本发明所采用的导线和导管的剖视图，图1的(f )是本发明的电线的剖视图。
[0023]图2是表示本发明的电线的趋肤效应减轻状况的曲线图(计算值)。
[0024]图3是表示本发明的电线的趋肤效应减轻状况的曲线图(实测值)。
[0025]图4的(a)是本发明所采用的细导线的剖视图，图4的(b)是本发明所采用的细导线束的剖视图，图4的(c)是本发明所采用的细导线束和导管的剖视图，图4的(d)是本发明所采用的导线和导管的剖视图，图4的(e)是本发明所采用的导线和导管的剖视图，图4的(f )是本发明的电线的剖视图。[0026]图5是将细导线束连续地插入到导管中的制法的说明图。
[0027]图6是以往的普通电机的剖视图。
[0028]图7是以往的其他电机的定子线圈的剖视图。
[0029]图8是表示由趋肤效应导致电流密度降低的曲线图。
【具体实施方式】
[0030]本发明的电线包括被沿该导线长度方向延伸的第一绝缘膜分割为多个区域的导线、在导线的长度方向上覆盖该导线的周围的第二绝缘膜、及隔着第二绝缘膜以无间隙的方式在导线的长度方向上包围该导线的导管。
[0031]导线的被分割成的多个区域的截面形状、截面面积、材质也可以不同。导管的壁厚也可以根据使用场所的不同而有所不同。只要能够确保绝缘，第一绝缘膜的厚度、第二绝缘膜的厚度就也可以不恒定。第一绝缘膜的材质、第二绝缘膜的材质也可以根据使用场所的不同而有所不同。导线的材质和导管的材质也可以不同。
[0032]在导线的被分割成的多个区域的截面形状为多边形时，将其最小的边长称作区域的短径。期望区域的短径小于使用频率下的趋肤深度的两倍。此时，由于电流在导线的整个截面中流动，因此，难以由趋肤效应导致电流密度降低。
[0033]期望导管的壁厚小于使用频率下的趋肤深度。此时，由于电流在导管的整个截面中流动，因此，难以由趋肤效应导致电流密度降低。
[0034]期望本发明的电线在导管的外表面具有绝缘膜。通过在导管的外表面具有绝缘膜，在卷绕了本发明的电线时，能够维持电线相互之间的绝缘。
[0035]为了能够无间隙地卷绕，期望导管的截面外形为“矩形”或“正六边形”。“矩形”也包含角部被进行了倒角处理的矩形、角部带有圆角的矩形。“正六边形”也包含角部被进行了倒角处理的正六边形、角部带有圆角的正六边形。在像输电线那样不卷绕时，导管的截面外形也可以是“圆”。“圆”也包含了具有如下变形的圆，即该变形在不妨碍正常使用的范围内进行。
[0036]考虑到电导率、加工性、成本、耐久性等时，期望导线及导管的材质是铜、铜合金、铝、铝合金中的任一种或者它们的组合。“铜”也包含具有微量添加成分的铜。“铝”也包含具有微量添加成分的铝。
[0037]被沿导线长度方向延伸的第一绝缘膜分割为多个区域的导线是通过将表面被绝缘膜包覆的多个细导线对齐方向地一体化而获得的。在将多个细导线一体化时，期望同时也将导管与该多个细导线一体化。
[0038]将导管及多个细导线一体化的方法期望是下列的方法。(a)准备导体带。(b)准备表面被绝缘膜包覆的多个细导线。(C)将多个细导线对齐方向地放在导体带上。(d)卷起导体带，将导体带的长度方向端面接合而形成导管，将多个细导线收纳在导管内。(e)将导管及多个细导线一体化，形成具有被第一绝缘膜分割成的多个区域的导线，同时利用导管隔着第二绝缘膜以无间隙的方式在导线的长度方向上包围该导线。采用该方法，由于对导线及导管的长度没有限制，因此能够容易地制造纵长的电线。
[0039]期望本发明的电线(一体化后的导管及导线)被退火。由于在将导线和导管一体化时，使导线和导管变形，因此，导线和导管产生了加工硬化。由于在这种状态下导线和导管的硬度较高，因此难以卷绕电线(导管及导线)。因此，将电线退火来降低其硬度。由此，电线能够容易地卷绕。
[0040]本发明的电线的制造方法期望用绝缘膜包覆导管的外表面。通过用绝缘膜包覆导管的外表面，从而在卷绕了本发明的电线时，能够维持电线相互之间的绝缘。
[0041]实施例
[0042]对本发明的电线的实施例进行说明。下面叙述的材料和尺寸是一例子，本发明并不限定于此。
[0043]图1按照制造工序的顺序使用剖视图表示本发明的电线10的一例子及其制法。
[0044]图1的(a)是作为本发明的电线10的材料的细导线12a的剖视图。细导线12a被绝缘膜13包覆其表面。细导线12a代表性地是较细的铜线。绝缘膜13代表性地是由聚酯、聚酰胺酰亚胺等制成的单层膜或多层膜。细导线12a的直径例如为0.5mm，绝缘膜13的厚度例如为30 μ m。
[0045]本次，在使用了本发明的电线10的电机中，由于驱动电流的频率约为8kHz，因此，从图7可知，铜的趋肤深度约为0.8mm。因而，在直径为0.5mm的细导线12a中，能够大体上无视其趋肤效应，电流在细导线12a的整个截面中流动。
[0046]如图1的(b)所示，为了容易地操作，捻合9根细导线12a，形成细导线束14。也可以不捻合细导线12a，而将它们平行排列地形成细导线束14。
[0047]如图1的(C)所示，将细导线束14插入到导管15中。导管15代表性地是铜管。导管15的内径例如为3.2mm,外径例如为4mm,壁厚例如为0.4mm。由于8kHz下的铜的趋肤深度约为0.8mm,因此，对于导管15也几乎能够无视趋肤效应，电流在导管15的整个截面中流动。
[0048]如图1的(d)所示，通过拉拔加工将细导线束14、绝缘膜13、导管15 —体化。一体化后，细导线束14形成导线12b。一体化后的导管15的内径例如为1.7mm，外径例如为
2.5mm，壁厚例如为0.4mm。在拉拔加工时，注意不要在绝缘膜13中发生龟裂。像输电线那样不卷绕的电线也可以在图1的(d)的工序中形成完成品。
[0049]如图1的(e)所示，通过拉拔加工使导管15的截面外形变形为矩形。导管15的外侧尺寸例如为3.2mmX 1.7_，壁厚例如为0.4_。导线12b也如图所示地变形。
[0050]如图1的(f)所示，在导管15的外侧包覆绝缘膜16，完成本发明的电线10。图1的(f)所示的本发明的电线10由具有被第一绝缘膜13a分割成的9个区域的导线12b、用于将导线12b和导管15绝缘的第二绝缘膜13b、导管15、及用于覆盖导管15表面的绝缘膜16构成。由于导线12b被分割为9个区域，因此，导线12b的表面积变大，能够减轻趋肤效应的影响。由于图1的(f)所示的电线10的截面为矩形，因此，与以往的电机的定子线圈110 (图7)同样，能够无间隙地卷绕。由于图1的(f)所示的电线10较粗，因此，在生产技术上容易无间隙地卷绕。
[0051]图2表示本发明的电线10的趋肤效应减轻状况(计算值)。图2的横轴为电流的频率(frequency),其左纵轴为趋肤深度(skin depth),其右纵轴为相对电流密度(relativecurrent density)。图2的右纵轴的相对电流密度是将直流的情况作为100%而进行表示的。图2是以截面为3.2mmX 1.7mm的长方形的铜制线圈绕线(单线single wire)为模型得到的计算值、和以图1中所示的本发明的电线10 (多线multi wires)为模型得到的计算值。本发明的电线10的截面为3.2mmX 1.7mm的长方形。铜制线圈绕线(单线)的计算值是称作相对电流密度(单线)(relative current density (single wire))的曲线图,本发明的电线10的计算值是称作相对电流密度(多线)(relative current density (multiwires))的曲线图。
[0052]从图2可知，在铜制线圈绕线(单线)的情况下，在电流的频率大于约4kHz时，相对电流密度开始降低。在电流的频率约为30kHz时相对电流密度降低到50%，在电流的频率约为200kHz时相对电流密度降低到20%。
[0053]另一方面，在本发明的电线10的情况下，电流的频率达到约20kHz之前相对电流密度不会降低。在电流的频率大于约20kHz时，相对电流密度降低下来，但在达到约IOOMHz之前，其相对电流密度始终高于铜制线圈绕线(单线)。因而，在从约4kHz到约IOOMHz之间，通过使用本发明的电线10，与使用铜制线圈绕线(单线)相比能够减轻趋肤效应。因此，本发明的电线10在从约4kHz到约IOOMHz之间，使用时能够获得比以往的长方形的线圈绕线112 (单线)高的电流密度。
[0054]图3表示本发明的电线及以往的电线的电阻值相对于频率的关系(实测值)。图3的横轴为电流的频率(Frequency),其纵轴为相对电阻(Relative Electric Resistance)。曲线图A是以往的电线(截面为3.2mmX 1.7mm的长方形的单线)的情况。曲线图B是本发明的电线的第二例(将直径为0.5mm的10根细导线和厚度为0.4mm的导管一体化而成的电线。截面为3.2mmX 1.7mm的长方形)的情况。曲线图C为本发明的电线的第三例(将直径为0.1mm的260根细导线和厚度为0.3mm的导管一体化而成的电线。截面为3.2mmX 1.7mm的长方形)的情况。
[0055]从图3可明确，本发明的电线(B、C )与以往的电线(A )相比，在高频下电阻值的上升更少。本发明的电线的第三例(C)与第二例(B)相比，细导线更细且根数更多。因此，第三例(C)的电线的细导线的表面积更大，趋肤效应的影响更小。结果，本发明的电线的第三例(C)与第二例(B)相比，在高频下电阻值的上升更少。
[0056]图4按照制造工序的顺序利用剖视图表示本发明的电线20的第四例及其制法。对与图1共用的部分标注相同的附图标记。
[0057]图4的(a)是作为本发明的电线20的材料的细导线12a的剖视图。细导线12a的尺寸、材料等与图1的电线10相同。
[0058]图4的(b)是捻合9根细导线12a而形成的细导线束14。该细导线束14与图1的细导线束14相同。
[0059]图4的(C)是将细导线束14插入到导管15中的图。导管15的尺寸、材料等与图1的导管15相同。
[0060]图4的(d)是将细导线束14、绝缘膜13、导管15 —体化了的图。一体化后，细导线束14成为导线12b。一体化后的导管15的尺寸等与图1的导管15相同。像输电线那样不卷绕的电线也可以在图4的(d)的工序中形成完成品。
[0061]如图4的(e)所示，通过拉拔加工使导管15的截面外形变形为正六边形。导管15的外侧尺寸例如一条边为0.82mm,壁厚例如为0.4_。导线12b如图所示地变形。
[0062]如图4的(f)所示，在导管15的外侧包覆绝缘膜16，完成本发明的电线20。由于图4的(f)所示的电线20的截面为正六边形，因此，在卷绕时能够无间隙地卷绕。由于图4的(f)所示的电线20较粗，因此容易无间隙地卷绕。
[0063]图5是将由多个细导线12a构成的细导线束14连续地插入到导管15中的本发明的制造方法的一例子。工序从图5的右侧朝向左侧进行。图5的右侧部分是将由多个细导线12a构成的细导线束14放在导体带31 (例如为较薄的铜带)上的工序。细导线12a被绝缘膜(未图示)包覆其表面。图5的中央部分是将导体带31卷起并接合其长度方向端面32来制作导管15的工序。在该工序中，将细导线束14收纳在导管15内。图5的左侧部分表示插入到导管15中的细导线束14。采用图5的制法，由于对导管15及细导线束14的长度没有限制，因此，能够连续地制作插入到纵长的导管15 了的纵长的细导线束14。
[0064]由于在将导线和导管一体化时使导线和导管变形，因此，导线和导管产生了加工硬化。由于在这种加工硬化了的状态下电线硬的度较高，因此难以卷绕电线。因此，将电线退火来降低其硬度。如果进行了退火，则能够容易地卷绕电线。退火条件例如为230°C/I小时或者250°C /两小时。为了防止退火时绝缘膜劣化，使用耐热性在300°C以上的绝缘膜(例如聚酰胺酰亚胺绝缘膜)。
[0065]在退火前后对本发明的电线(截面为3.2mmX 1.7mm的长方形)进行了弯曲试验。将电线的3.2mm的边沿着直径为8mm、4mm、2mm的各圆棒弯曲180°。而且,将电线的3.2mm的边在无圆棒的情况下弯曲180°。由于退火前的电线硬度较高，因此，沿着直径为8mm、4mm>2mm的各圆棒中的任一个圆棒均无法弯曲,在电线和圆棒之间产生了几mm的间隙。而且，在沿着直径为2_的圆棒弯曲时和在无圆棒的情况下弯曲时，在弯曲的部分发生了龟裂。由于退火后的电线硬度较低，因此，沿着直径为8mm、4mm、2mm的各圆棒中的任一个圆棒均能够无间隙地弯曲。在沿着直径为8mm、4mm、2mm的各圆棒弯曲时及在无圆棒的情况下弯曲时中的任一情况下，均未在电线中发生龟裂。
[0066]最后用绝缘膜16包覆电线的表面(导管15的外表面)。通过用绝缘膜16包覆电线的表面，在卷绕了电线10时，能够保持电线10相互之间的绝缘。用绝缘膜16包覆电线表面的工序和退火工序中的哪一个工序都可以在前。
[0067]产业h的可利用件
[0068]本发明的电线适合用于电机(电动机)或发电机的线圈或者输电线。
【权利要求】
1.一种电线，其中， 该电线包括: 导线，其被沿该导线长度方向延伸的第一绝缘膜分割为多个区域； 第二绝缘膜，其用于在上述导线的长度方向上覆盖该导线的周围； 导管，其隔着上述第二绝缘膜以无间隙的方式在上述导线的长度方向上包围上述导线。
2.根据权利要求1所述的电线，其中， 上述导线的被分割成的多个区域的短径小于使用频率下的趋肤深度的两倍，上述导管的壁厚小于使用频率下的趋肤深度。
3.根据权利要求1所述的电线，其中， 在上述导管的外表面具有绝缘膜。
4.根据权利要求2所述的电线，其中， 在上述导管的外表面具有绝缘膜。
5.根据权利要求1所述的电线，其中， 上述导管的截面外形为圆形、矩形或者正六边形。
6.根据权利要求2所述的电线，其中， 上述导管的截面外形为圆形、矩形或者正六边形。
7.根据权利要求1所述的电线，其中， 上述导线及上述导管的材质为铜、铜合金、铝、铝合金中的任一种或者它们的组合。
8.根据权利要求2所述的电线，其中， 上述导线及上述导管的材质为铜、铜合金、铝、铝合金中的任一种或者它们的组合。
9.一种电线的制造方法，其中， 该电线的制造方法包括以下工序: 准备导体带； 准备表面被绝缘膜包覆的多个细导线； 将多个上述细导线对齐方向地放在上述导体带上； 卷起上述导体带，将上述导体带的长度方向端面接合而形成导管，将多个上述细导线收纳在上述导管内； 将上述导管及多个上述细导线一体化，形成具有被第一绝缘膜分割成的多个区域的导线，同时利用上述导管隔着第二绝缘膜以无间隙的方式在上述导线的长度方向上包围上述导线。
10.根据权利要求9所述的电线的制造方法，其中， 该电线的制造方法包括将一体化了的上述导管及上述多个导线退火的工序。
11.根据权利要求9所述的电线的制造方法，其中， 该电线的制造方法包括用绝缘膜包覆上述导管的外表面的工序。
12.根据权利要求10所述的电线的制造方法，其中， 该电线的制造方法包括用绝缘膜包覆上述导管的外表面的工序。
【文档编号】H01B7/02GK103545035SQ201210237919
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年7月9日 优先权日:2012年7月9日
【发明者】杉江欣也, 平池弘司 申请人:株式会社Ｋａｎｚａｃｃ