JP5814291B2 - 素線の集合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、たとえばモータのコイルに用いられる巻線として適用される、複数の素線が束ねられて一体とされた素線の集合体の製造方法に関するものである。

ハイブリッド車や電気自動車等の駆動用モータをはじめ、車両に搭載される多くのモータにおいてはその小型化と高出力化を図るための技術開発が日々おこなわれているが、双方の目的を満たす方策の一つとして、ステータコアのスロット内におけるコイルの占積率を高めることが挙げられる。そして、このコイルの占積率を高める方策として、コイル用の素線としてこれまで一般に用いられてきた断面が円形の素線（丸線）に代わって断面矩形の平角線を適用することが挙げられる。

従来一般に用いられている平角線としては、銅素材の平角状の導線周りに、たとえば、ポリアミド(PA)やポリフェニレンサルファイド(PPS)といった熱可塑性樹脂、あるいはエナメル樹脂等の熱硬化性樹脂からなる絶縁被膜を形成し、断面が平角状の素線としたものが用いられている。

上記するように銅素材の素線として平角線を使用することでコイルの占積率を高めることができるものの、銅素材の素線の断面積の増加に伴い、今度は渦電流損失の増加が問題となる。

このような渦電流損失の低減を図るには、断面が小さな細線を束ねた素線の集合体（集合銅線と称することもできる）を使用する方策がある。しかしながら、銅素材の導線の周囲にエナメル被膜等が配された素線を束ねて素線の集合体を形成し、この素線の集合体を巻装してコイルを形成した場合には、隣接する素線間に隙間が生じ易いことから、コイルの占積率を逆に低下させてしまうといった課題が生じることになる。

一方、異形の素線を束ねて素線の集合体を形成することで上記する占積率の低下を抑制しようとする方策もあるが、このような素線の集合体では異形の素線を用意する必要があり、製造時間を要し、製造コストの増加要因となってしまう。

ここで、特許文献１には、複数本のエナメル素線が撚合わされてなる断面が円形の丸リッツ線が圧延されて形成された断面が平角状の平角形状リッツ線に関し、その外周に粘着性材料もしくは熱可塑性材料を塗布してなる接着性テープが縦沿えされている平角リッツ線が開示されている。

また、特許文献２には、絶縁層で被覆された素線を複数本撚ることで撚線を構成し、その状態で成形型を用いて加工することで撚線の断面を所定形状に圧縮成形し、次いで、撚線の表面を素線の表面を構成する絶縁層の厚みよりも厚肉な絶縁層で被覆して導線を製造する製造方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、導体の外側に導体絶縁被膜を有する巻線用線材に関し、この導体は、複数本の分割素線を組み合わせることで所定断面の１本の導体に形成され、各分割素線は、導体芯線と、導体芯線を覆う芯線絶縁被膜とから構成されている巻線用線材が開示されている。ここで、巻線用線材の製造方法は、複数本の導体芯線を用意する工程と、各導体芯線に芯線絶縁被膜を形成して分割素線とする工程と、複数本の分割素線を組み合わせて所定断面形状の導体とする工程と、導体の外側に導体絶縁被膜を形成する工程とを有するものである。

このように特許文献１〜３には、素線の集合体やその製造方法が開示されているものの、いずれも、絶縁被膜を有する素線を束ね、圧延等で一体とする製造方法を基本としていることから、上記する課題、すなわち、隣接する素線間に隙間が生じ易いことでこれが使用されてコイルが形成された際のコイルの占積率を低下させてしまうといった課題を解消するには至らない。

特開２０００−０９０７４７号公報 特開２００９−１９９７４９号公報 特開２００６−１０００７７号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、複数の素線が束ねられて一体とされた素線の集合体の製造方法に関し、占積率が高く、渦電流損失低減性能に優れたコイルを形成することのできる素線の集合体の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による素線の集合体の製造方法は、複数本の断面が円形の導線を束ねて圧延もしくは引抜きし、それぞれの導線の断面を多角状として導線の集合体を形成する第１のステップ、前記導線の集合体に熱処理をおこない、それぞれの導線の周囲に酸化被膜を形成し、断面が多角状の導線とその周囲の酸化被膜からなる素線の集合体を形成する第２のステップからなるものである。

本発明の素線の集合体の製造方法は、断面が円形の導体を束ねて圧延もしくは引抜きし、断面が多角状の導線の集合体をまず形成した後、この導線の集合体に熱処理をおこない、集合体を構成する全ての導線の周囲に酸化被膜を形成して、導線および酸化被膜を具備する素線の集合体を形成するものである。

断面が円形の導線を束ねて圧延もしくは引抜きによって断面多角状に形成し、隣接する導線間の隙間を無くした後に導線周りに酸化被膜を形成することから、製造された素線の集合体は、その内部に空隙がない、もしくは空隙が極めて少なく、ティース周りに巻回されてコイルが形成された際に占積率の高いコイルの形成に寄与するものとなる。

第１のステップで使用される断面が円形の導線は、たとえば銅素材の導線である。ここで、「円形」とは、真円に限らず、円に近い多角形や楕円、扁平な円などを含んでいる。

また、第１のステップで圧延もしくは引抜きにて円形断面の導線が変形してなる「多角状」とは、正方形、長方形等の平角状のほか、四角形以外の角形状を含む意味である。なお、本発明の製造方法では、最終的に形成される素線の集合体自体の形状は平角状に形成される。

圧延もしくは引抜きにより、全ての導線の断面形状が相互に密接するように加工されることで、導線間に隙間のない導線の集合体が形成できる。

第２のステップでは、導線の集合体を熱処理することで、この集合体を形成する全ての導線の表面が酸化し、たとえば銅素材の導線の周囲には酸化被膜である酸化銅が形成される。形成される酸化銅は十分な電気抵抗を有しており、渦電流損失低減効果を期待することができる。

なお、圧延前の断面が円形の導線は、その周囲に絶縁被膜のないものを適用するのが好ましい。

また、本発明は上記する製造方法で製造された素線の集合体にも及ぶものである。

さらに、この素線の集合体においては、酸化被膜の厚さが5nm〜500nmであるのが好ましい。

酸化被膜が500nmを超えて厚すぎると、酸化被膜自体が脆くなり、加工時・市場耐久時に破壊され易くなって好ましくない。一方、酸化被膜の厚みが5nm未満では抵抗不足となって好ましくないことより、この数値範囲が規定されたものである。

ここで、高温耐久密着性を考慮すると、さらに好ましくは酸化被膜の厚みが200nm以下である。また、圧延もしくは引抜き後の導線の表面粗さの影響を抑えるには、酸化被膜の厚みは50nm以上が望ましい。高温耐久密着性は酸化膜付き銅基材を200℃の温度で一定時間加熱後、酸化膜に1mm間隔のクロスカットを入れてテープピール実験をおこない、酸化膜の剥離の有無から測定する。剥離がなければ高温耐久密着性を合格とするものである。

以上の説明から理解できるように、本発明の素線の集合体の製造方法によれば、断面が円形の導体を束ねて圧延し、断面が平角状の導線の集合体をまず形成した後、この導線の集合体に熱処理をおこない、集合体を構成する全ての導線の周囲に酸化被膜を形成して、導線および酸化被膜を具備する素線の集合体を形成することによって、占積率が高く、渦電流損失低減効果に優れたコイルの形成に寄与することができる。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に、本発明の素線の集合体の製造方法を説明したフロー図である。

以下、図面を参照して本発明の素線の集合体の製造方法の実施の形態を説明する。なお、図示例は、６本の断面が円形の導線を３列２段で束ねた状態で圧延し、熱処理する形態を示したものであるが、束ねられる導線の本数や束ねる形態（２列３段、５列３段など）は図示例以外にも多様な形態がある。

（素線の集合体とその製造方法の実施の形態）
図１は、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に、本発明の素線の集合体の製造方法を説明したフロー図である。

まず、図１ａで示すように、断面が同寸法で円形で銅素材の導線１を３列２段で束ねる。ここで、「束ねる」形態としては、単に導線同士を併設および積層させる形態や、導線同士を併設および積層させた後に撚る形態、導線同士を併設および積層させた後に編み込む形態などがある。なお、使用する導線１は、その周囲に絶縁被膜のないものが好ましい。

次に、３列２段で束ねられた６本の断面が円形の導線１に対して圧延もしくは引抜きをおこなうことにより、図１ｂで示すように６本の断面が平角状の導線１’を形成し、導線の集合体１０を形成する（第１のステップ）。なお、加工される導線１’の形状は、四角形以外の多角形状であってもよい。

図示する導線の集合体１０は、断面が平角状の導線１’同士が相互に密接して並んだ構成を呈していることから、隣接する導線１’同士の間に隙間がない、もしくは隙間の極めて少ない導線の集合体１０となっている。

第１のステップにて導線の集合体１０が形成されたら、図１ｃで示すようにこの導線の集合体１０の全体に熱処理をおこない、各導線１’の周囲を酸化して酸化皮膜２を形成し、断面が平角状の導線１’とその周囲の酸化被膜２からなる素線３が集合した素線の集合体２０を形成する（第２のステップ）。

図示する素線の製造方法によれば、断面が円形の導体１を束ねて圧延もしくは引抜きし、断面が平角状の導線１’が集合した導線の集合体１０をまず形成した後、この導線の集合体１０に熱処理をおこない、集合体１０を構成する全ての導線１’の周囲に酸化被膜２を形成し、導線１’および酸化被膜２を具備する素線３が集合した平角状の素線の集合体２０を形成することで、占積率が高く、渦電流損失低減効果に優れたコイル用の集合体を製造することができる。

[渦電流損失低減効果を確認した実験とその結果]
本発明者等は、以下の表１で示す実施例1、2と比較例1〜4にかかる素線の集合体の試験体を製作し、交流磁気特性試験装置を使用して渦電流損失を測定した。

（素線の集合体の実施例1,2の製作方法）
使用した断面円形の導線（細線）は、銅素材の丸線（φ1.1）を６本撚り束ね、ダイスを用いて2.0×3.4mmの平角状の導線の集合体とし、乾燥炉に載置し、所定条件下で導線周囲を酸化させて酸化被膜を形成し、平角状の導線と酸化被膜から構成される素線が６本撚り束ねられてなる素線の集合体を製作した。

（渦損失の測定方法）
交流磁気特性試験装置（メトロン技研社製で、通称Ｃエプスタイン測定装置）を用いて、素線の集合体の交流損失を測定した。ここで、装置には、周波数0〜2kHz、磁束密度±0.1Tの磁束を生じさせた。損失低減率についてはいずれの試験体も2.0×3.4mmの平角状で銅素材の裸導線の損失に対しての比率を求めた。たとえば、実施例1に関して言えば、導線を100Wとした際に損失低減率85%の15Wとなっている。

（試験体の詳細）
＜比較例1＞
導線を酸化させず、酸化被膜を具備しない素線の集合体である。

＜比較例2＞
断面円形の導線の状態で圧延することなく、250℃で10分間熱処理（酸化）をおこない、その後に撚って圧延をおこない、各導線を平角状に加工した。

＜比較例3＞
断面円形の導線を撚った後に250℃で10分間熱処理（酸化）をおこない、次いで圧延して各導線を平角状に加工した。

＜実施例1、2＞
上記する実施例1、2の製作方法にて製作した。

＜比較例4＞
エナメル線（ポリアミドイミド被膜φ1.1を有する断面円形の素線）を６本撚り、ダイスにて全て同寸法に平角状の素線に加工した。

（考察）
実施例1,2は、熱処理による酸化被膜の形成を圧延後に実施していることにより、全ての導線に対して酸化被膜を均一に形成することができている。そのために、損失低減効果が比較例に比して高くなっているものと推察される。

比較例2、3は、圧延等の前に導線周りに酸化被膜を形成しているために、撚りや圧延の際に酸化被膜の一部が破損している。そのために、損失低減効果が実施例に比して低くなっているものと推察される。

比較例4は、隣接する素線のエナメル被膜によって完全に絶縁が図られていることから、損失低減効果は実施例1、2と同様に高くなっている。ただし、比較例4の場合には、実施例1、2に比して占積率が低くなっている。

上記する実験結果より、本発明による製造方法によって製造された素線の集合体は、高い占積率を有することに加えて、渦電流損失低減性能に優れたものとなることが実証された。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…導線（断面が円形の導線）、１’…導線（断面が平角状の導線）、２…酸化被膜（絶縁被膜）、３…素線、１０…導線の集合体、２０…素線の集合体

Claims (1)

1. モータのコイル用の巻線として用いられる素線の集合体の製造方法であって、
   複数本の断面が円形の導線を束ねて圧延もしくは引抜きし、それぞれの導線の断面を多角状として導線の集合体を形成する第１のステップ、
   前記導線の集合体に酸素含有雰囲気下で熱処理をおこない、それぞれの導線の周囲に厚さが50nm〜200nmの酸化被膜を形成し、断面が多角状の導線とその周囲の酸化被膜からなる素線の集合体を形成する第２のステップからなる素線の集合体の製造方法。

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