(57)【要約】【課題】簡単かつ安価に、複合銅線の巻線により発生する渦電流を抑えることにより、渦電流損失を低減することができる電気機器を提供する。【解決手段】電気機器１は、銅からなる母材を第１導電部１１とし、第１導電部１１と、第１導電部１１の材料よりも電気抵抗率の高い金属材料からなる第２導電部１２とが、複合化されて伸線された複合銅線１０を、磁束に交差するように巻線として備えている。複合銅線１０の単位長さあたりの第１導電部１１全体の電気抵抗値をＡとし、複合銅線１０の単位長さあたりの第２導電部１２全体の電気抵抗値をＢとしたときに、複合銅線１０の電気抵抗比Ｂ／Ａが、１００以上である。第１導電部１１が、複合銅線１０の伸線方向に沿って複合銅線１０の内部に位置し、第２導電部１２が、伸線方向に沿って第１導電部１１を取り囲むように配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅または銅合金からなる母材を第１導電部とし、前記第１導電部と、前記第１導電部の材料よりも電気抵抗率の高い金属材料からなる第２導電部とが、複合化されて伸線された複合銅線を、磁束に交差するように巻線として備えた電気機器であって、
前記複合銅線の単位長さあたりの前記第１導電部全体の電気抵抗値をＡとし、
前記複合銅線の単位長さあたりの前記第２導電部全体の電気抵抗値をＢとしたときに、
前記複合銅線の電気抵抗比Ｂ／Ａが、１００以上であり、
前記第１導電部が、前記複合銅線の伸線方向に沿って前記複合銅線の内部に位置し、前記第２導電部が、前記伸線方向に沿って前記第１導電部を取り囲むように配置されていることを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅または銅合金を少なくとも含む銅線を、磁束に交差するように巻線として備えた電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、電気機器に利用される銅線として、特許文献１には、銅相と、銅−Ｚｒ化合物相との二相からなる複合相を備え、銅相および銅−Ｚｒ化合物相が伸線方向に延在した、複合銅線が開示されている。この複合銅線によれば、銅−Ｚｒ化合物相を設けることにより、複合銅線の引張強さを向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５８００３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１のような複合銅線を、たとえば、回転機（モータ）、変圧器（トランス）、リアクトルなどの電気機器（磁気ディバイス）に適用した場合、複合銅線は、電気機器に発生する磁束に交差するように、鉄心等に巻回され、巻線として使用される。
【０００５】
しかしながら、巻回された複合銅線を磁束が通過する際に、複合銅線同士の隙間にある複合銅線の表面に、渦電流が発生する。この渦電流の発生により、複合銅線が発熱し、渦電流損失が発生することが想定される。
【０００６】
ここで、渦電流損失を低減するべく、磁束の通過する方向に直交する方向の複合銅線の断面積が小さくなるように、矩形状の断面の縦横比を変更した複合銅線を所定の方向から鉄心等に巻回するような方法が講じられることがある。この他にも、複合銅線に絶縁皮膜を被覆して、これらをより密に鉄心等に巻回する方法が採られることもある。しかしながら、いずれの方法であっても、複合銅線の二次加工およびその巻回作業等が煩雑になり、電気機器の製造コストが増加するおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、簡単かつ安価に、複合銅線の巻線により発生する渦電流を抑えることにより、渦電流損失を低減することができる電気機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を鑑みて、本発明に係る電気機器は、銅または銅合金からなる母材を第１導電部とし、前記第１導電部と、前記第１導電部の材料よりも電気抵抗率の高い金属材料からなる第２導電部とが、複合化されて伸線された複合銅線を、磁束に交差するように巻線として備えた電気機器であって、前記複合銅線の単位長さあたりの前記第１導電部全体の電気抵抗値をＡとし、前記複合銅線の単位長さあたりの前記第２導電部全体の電気抵抗値をＢとしたときに、前記複合銅線の電気抵抗比Ｂ／Ａが、１００以上であり、前記第１導電部が、前記複合銅線の伸線方向に沿って前記複合銅線の内部に位置し、前記第２導電部が、前記伸線方向に沿って前記第１導電部を取り囲むように配置されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、伸線方向に沿って、第１および第２導電部が延在し、かつ、第１および第２導電部が複合化された複合銅線が、磁束に交差するように巻線として備えられる。これにより、後述する発明者らの実験からも明らかなように、電気抵抗率が高い金属材料からなる第２導電部が、磁束と交差する方向に配置され、電気抵抗比Ｂ／Ａが１００以上を満たせば、磁束の通過による渦電流の発生を抑え、渦電流損失を低減することができる。
【００１０】
特に、第１導電部が、複合銅線の伸線方向に沿って複合銅線の内部に位置し、電気抵抗率の高い第２導電部が、伸線方向に沿って第１導電部を取り囲むように配置されているため、複合銅線の表面の渦電流の発生をより効果的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る電気機器の一例を示した模式図である。
【図２】図１に示す電気機器に用いる複合銅線の模式的斜視図である。
【図３】参考例に係る複合銅線において、条件１で渦電流を測定する方法を説明するための図である。
【図４】参考例に係る複合銅線において、条件２で渦電流を測定する方法を説明するための図である。
【図５】参考例に係る電気抵抗比と、渦電流損失との関係を示したグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｈ）は、実施例１、２および比較例１〜６に係る複合銅線の第１導電部と第２導電部との配置状態を示した模式的断面図である。
【図７】実施例１、２および比較例１〜６に係る複合銅線または銅線の渦電流損失の結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態に係る電気機器を、図１および図２を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る電気機器１の一例を示した模式図であり、図２は、図１に示す電気機器１に用いる複合銅線１０の模式的斜視図である。
【００１３】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る電気機器１は、変圧器であり、磁束φに交差するように複合銅線１０を巻線として備えている。具体的には、電気機器１は、リング状の鉄心２を備えている。
【００１４】
電気機器１は、鉄心２に複合銅線１０を巻回することにより、電源（図示せず）に接続される一次コイル１０Ａと、負荷（図示）に接続される二次コイル１０Ｂと、をさらに備えている。電源からの電流が一次コイル１０Ａを通電することにより、鉄心２の内部に、磁束φが発生する。発生した磁束φは、一次コイル１０Ａおよび二次コイル１０Ｂの複合銅線１０に交差する。
【００１５】
本実施形態では、電気機器１の一例として変圧器を例示したが、たとえば、巻線が利用される電気機器であれば、電気機器の種類は特に限定されるものではなく、電気機器は、モータまたはリアクトルなどであってもよい。
【００１６】
図２に示すように、一次コイル１０Ａおよび二次コイル１０Ｂを構成する複合銅線１０は、第１導電部１１と第２導電部１２とが、複合化されて、伸線された銅線である。具体的には、第１導電部１１は、銅または銅合金からなる母材であり、第２導電部１２は、第１導電部１１を構成する材料よりも電気抵抗率が高い材料である。
【００１７】
より具体的には、複合銅線１０の単位長さあたりの第１導電部１１の全体の電気抵抗値をＡとし、複合銅線１０の単位長さあたりの第２導電部１２の全体の電気抵抗値をＢとしたときに、複合銅線１０の電気抵抗比Ｂ／Ａが、１００以上である。
【００１８】
たとえば、第１導電部１１の金属材料が、銅（純銅）である場合には、第２導電部１２の材料に、銅よりも電気抵抗率が高い材料である、Ａｌ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｃのうち少なくとも１種を含む銅合金または金属間化合物などの銅化合物を挙げることができる。第１導電部１１の金属材料を銅（純銅）とし、第２導電部１２の金属材料を銅化合物とすることにより、これらの接合性を高めるとともに、複合銅線１０の高強度化および極細線化を実現することができる。
【００１９】
さらに、本実施形態では、複合銅線１０の単位長さあたりの電気抵抗比Ｂ／Ａが、１００以上を満たすように、第１導電部１１に対する第２導電部１２の割合、および、第２導電部１２の銅合金の銅に添加される上述した元素の量が設定されている。
【００２０】
また、第２導電部１２が、Ａｌ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｓｎ，Ｚｎのいずれかの金属であってもよい。この場合には、複合銅線１０の単位長さあたりの電気抵抗比Ｂ／Ａが、１００以上を満たすように、第１導電部１１に対する第２導電部１２の割合が設定されている。また、第１導電部１１の金属材料が、銅合金である場合には、第２導電部１２の金属材料には、この銅合金よりも電気抵抗率が高い、銅合金などの材料を選択すればよい。
【００２１】
さらに、図２に示すように、第１導電部１１が、複合銅線１０の伸線方向に沿って複合銅線１０の内部に位置し、第２導電部１２が、複合銅線１０の伸線方向に沿って第１導電部１１を取り囲むように配置されている。
【００２２】
ここで、複合銅線１０の伸線方向に対して直交する方向において、第１導電部１１の断面積：第２導電部１２の断面積は、９９．９９：０．０１〜９０：１０の範囲にあることが好ましい。また、本実施形態では、断面が矩形状の複合銅線１０を例示しているが、断面が円状、楕円状、または多角形状の複合銅線１０であってもよい。
【００２３】
なお、第２導電部１２が、複合銅線１０の伸線方向に沿って第１導電部１１を取り囲む状態とは、第１導電部１１が、第２導電部１２により、完全に覆われていてもよく、第１導電部１１の一部が、第２導電部１２から露出していてもよい。
【００２４】
ここで、このような複合銅線１０は、たとえば、先行技術に示すような方法により、製造してもよい。まず、溶融工程において、溶融した銅に第２導電部に含まれる元素を添加する。次に、鋳造工程において、銅の母相である第１導電部１１に、添加した元素を含む銅合金相の第２導電部１２を晶出させて、第１導電部１１と第２導電部１２が複合されたインゴットを鋳造する。この際、複合銅線１０の電気抵抗比Ｂ／Ａが１００以上であり、第２導電部１２が、インゴットの表面の周りに配置されるように、鋳造時の冷却速度等を調整することにより、第２導電部１２を晶出させる。このインゴットを伸線することにより、図２に示すような、複合銅線１０を得ることができる。
【００２５】
また、この他にも、ブロック状の第１導電部１１を取り囲むように、第２導電部１２を摩擦接合、拡散接合、または融着などにより接合し、接合した接合体を伸線することにより、図２に示すような、複合銅線１０を製造してもよい。
【００２６】
これらの実施形態によれば、上述したように、複合銅線１０は、伸線方向に沿って、第１および第２導電部１１、１２が延在し、かつ、第１および第２導電部１１、１２が複合化されており、磁束φに交差するように、鉄心２に巻回されている。これにより、第２導電部１２が、磁束φと交差する方向に配置され、さらに電気抵抗比Ｂ／Ａが１００以上を満たすので、第２導電部１２により、磁束φの通過による渦電流の発生を抑え、渦電流損失を低減することができる。
【００２７】
なお、電気抵抗比Ｂ／Ａが大きすぎると、複合銅線１０の抵抗値が大きくなり、通電時の複合銅線１０のジュール熱が大きくなることから、電気抵抗比Ｂ／Ａは、１．０×１０５以下であることが好ましい。
【００２８】
さらに、本実施形態では、第１導電部１１が、複合銅線１０の伸線方向に沿って複合銅線１０の内部に位置し、電気抵抗率の高い第２導電部１２が、伸線方向に沿って第１導電部１１を取り囲むように配置されている。このため、複合銅線１０の表面の渦電流の発生をより効果的に抑えることができる。
【実施例】
【００２９】
以下に、本発明の参考例を例示した上で、本発明の実施例を説明する。
【００３０】
＜参考例＞
以下に示すようにして、図３に示す複合銅線１０’を作製した。具体的には、第１導電部１１’の素材として、幅０．９ｍｍ、高さ１０ｍｍの純銅の平板を準備し、第２導電部１２’の素材として、幅０．９ｍｍ、高さ１０ｍｍの純ニッケルの平板を準備した。そして、純ニッケルの平板に、一対の純銅の平板を両側から常温拡散接合により貼り合わせ、複合銅線１０’に相当する試験片を作製した。
【００３１】
なお、この参考例では、複数種の複合銅線１０’に相当する試験片を作製し、具体的には、一対の純銅の平板の厚さを同じ条件にし、貼り合わせた状態の複合銅線１０’の総厚さ（図３のＸ方向の厚さ）が０．９ｍｍになるように、純銅の平板の厚さとニッケル平板の厚さを変更した。これにより、図３のｙ方向に沿った、単位長さあたりの複合銅線１０’の電気抵抗比Ｂ／Ａを調整した。
【００３２】
次に、図３および図４に示すｙ方向を伸線方向と想定して、条件１および条件２の条件で渦電流損失を測定した。具体的には、条件１では、図３に示すように、各試験片に対して、伸線方向に対して平行な方向に沿って、磁束を発生させ、このときの渦電流損失を測定した。条件２では、図４に示すように、各試験片に対して、伸線方向に対して垂直な方向に沿って、磁束を発生させ、このときの渦電流損失を測定した（条件２）。条件１および条件２における渦電流損失の結果を図５に示す。図５は、参考例に係る電気抵抗比Ｂ／Ａと、渦電流損失との関係を示したグラフである。
【００３３】
〔結果１〕
一方、図５に示すように、条件１の伸線方向に対して平行な方向に沿って、磁束を発生させた場合には、電気抵抗比Ｂ／Ａが、１００００程度まで、渦電流損失が低下し続け、それ以上で、渦電流損失は一定となった。この現象は、磁束φが、第１および第２導電部１１’、１２’のそれぞれを通過することから、複合銅線の抵抗値に起因していると考えられる。そして、電気抵抗比Ｂ／Ａが大きくなるに従って、複合銅線の抵抗値が大きくなるため、発生する渦電流が小さくなるからであると考えられる。
【００３４】
図５に示すように、条件２の伸線方向に対して垂直な方向に沿って、磁束を発生させた場合には、電気抵抗比Ｂ／Ａが、１００程度まで、渦電流損失が低下し続け、それ以上で、渦電流損失は一定となった。この現象は、磁束φが、第１および第２導電部１１’、１２’を通過することから、第２導電部１２’の位置等に起因していると考えられる。このことから、複合銅線の電気抵抗比Ｂ／Ａが、１００以上であれば、渦電流損失を低減することができると考えられる。
【００３５】
なお、この参考例では、第２導電部１２’の素材として、純ニッケルを用いたが、電気抵抗比Ｂ／Ａが１００以上を満たすのであれば、上述した銅合金であってもよいことは、勿論である。
【００３６】
以下に、実施例１、２および比較例１〜６の複合銅線を作製した。なお、図６（ａ）〜（ｈ）は、複合銅線の伸線方向に対して直交する断面の模式図であり、白色部分が、第１導電部に相当し、トーンで示された部分が、第２銅線部に相当する。また、実施例１、２、および比較例２〜６の複合銅線では、第１導電部は、純銅からなり、第２導電部は、純ニッケルからなり、電気抵抗比Ｂ／Ａが１００以上を満たす条件として、第１導電部の断面積：第２導電部の断面積は、５４：２７とし、これらの単位長さあたりの抵抗値を同じにしている。
【００３７】
＜実施例１＞
図６（ａ）に示すように、第１導電部が、複合銅線の伸線方向に沿って複合銅線の内部に位置し、第２導電部が、伸線方向に沿って第１導電部を取り囲むように配置された複合銅線を、参考例と同様の方法で作製した。また、実施例１の複合銅線の外寸は、参考例のものと同じである。
【００３８】
＜実施例２＞
図６（ｂ）に示すように、第１導電部が、複合銅線の伸線方向に沿って複合銅線の内部に位置し、第２導電部が、伸線方向に沿って第１導電部を取り囲むように配置された複合銅線を、実施例１と同様の方法で作製した。実施例１の複合銅線と相違する点は、第２導電部から露出する第１導電部の位置および範囲である。なお、実施例２は、図２に示した複合銅線１０に相当する。
【００３９】
＜比較例１＞
図６（ｃ）に示すように、純銅からなる銅線を準備した。比較例１の複合銅線の外寸は、参考例のものと同じである。
【００４０】
＜比較例２＞
図６（ｄ）に示すように、第１導電部と第２導電部を複合した複合銅線を、実施例１と同様の方法で作製した。実施例１の複合銅線と相違する点は、第２導電部の両側から第１導電部を挟み込んだ点である。なお、比較例２の複合銅線は、参考例のものと同じである。
【００４１】
＜比較例３＞
図６（ｅ）に示すように、第１導電部と第２導電部を複合した複合銅線を、実施例１と同様の方法で作製した。実施例１の複合銅線と相違する点は、複合銅線の片側に、第２導電部を配置した点である。
【００４２】
＜比較例４＞
図６（ｆ）に示すように、第１導電部と第２導電部を複合した複合銅線を、実施例１と同様の方法で作製した。実施例１の複合銅線と主に相違する点は、第２導電部の周りに、第１導電部を取り囲んだ点である。
【００４３】
＜比較例５＞
図６（ｇ）に示すように、第１導電部と第２導電部を複合した複合銅線を、実施例１と同様の方法で作製した。実施例１の複合銅線と主に相違する点は、第２導電部の周りに、第１導電部を取り囲み、さらに、これに第２導電部と第１導電部を順に取り囲んだ点である。
【００４４】
＜比較例６＞
図６（ｈ）に示すように、第１導電部と第２導電部を複合した複合銅線を、実施例１と同様の方法で作製した。実施例１の複合銅線と主に相違する点は、複合銅線に、第２導電部を分散するように配置した点である。
【００４５】
実施例１、２および比較例１〜６の複合銅線に対して、伸線方向に対して直交するｘ方向およびｙ方向に、磁束を発生させ、それぞれの渦電流損失を測定した。この結果を図７に示す。図７は、実施例１、２および比較例１〜６に係る複合銅線または銅線の渦電流損失の結果を示したグラフである。なお、図７では、ｘ方向に磁束を発生させたときの渦電流損失を、Ｗｘとし、ｙ方向に磁束を発生させたときの渦電流損失を、Ｗｙとし、これらの合計の渦電流損失を示した。
【００４６】
〔結果２〕
図７に示すように、実施例１、２の複合銅線の渦電流損失は、比較例１〜６のものに比べて小さかった。これは、実施例１、２の複合銅線では、第１導電部が、複合銅線の伸線方向に沿って複合銅線の内部に位置し、第２導電部が、伸線方向に沿って前記第１導電部を取り囲むように配置されているので、複合銅線の表面の渦電流の発生をより効果的に抑えることができたからであると考えられる。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１：電気機器、２：鉄心、１０：複合銅線、１０Ａ：一次コイル、１０Ｂ：二次コイル、１１：第１導電部、１２：第２導電部、φ：磁束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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