(57)【要約】【課題】電磁誘導型の非接触給電システムにおいて５０〜１５０ｋＨｚの周波数帯で使用されるコイルに好適なリッツ線を提供する。【解決手段】リッツ線は、複数本の素線を撚り合わせてなる一次撚り線を複数束撚り合わせて二次撚り線とし、さらに二次撚り線を複数束撚り合わせた構成を有する。リッツ線の断面は複数束の二次撚り線による均等分割構造を有し、それぞれの分割領域における素線間距離はいずれも３〜１５μｍである。【選択図】図２
2016219252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０〜１５０ｋＨｚの周波数帯で使用される高周波非接触給電コイル用のリッツ線であって、
複数本の素線を撚り合わせてなる一次撚り線を複数束撚り合わせて二次撚り線とし、さらに前記二次撚り線を複数束撚り合わせた構成を有し、
断面が前記複数束の二次撚り線による均等分割構造を有し、
それぞれの分割領域における素線間距離がいずれも３〜１５μｍであることを特徴とするリッツ線。
【請求項２】
前記素線の外径が０．０５〜０．１５ｍｍであり、
前記一次撚り線に含まれる素線の本数が１０〜１８０本であり、
前記一次撚り線及び前記二次撚り線の束数がそれぞれ３〜６束であることを特徴とする請求項１に記載のリッツ線。
【請求項３】
前記一次撚り線に含まれる素線の本数が１０〜１００本であり、
前記二次撚り線の束数が前記一次撚り線の束数以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のリッツ線。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のリッツ線を、同一平面上に所定の巻数で渦巻き状に巻線してなることを特徴とするリッツ線コイル。
【請求項５】
複数本の素線を撚り合わせる第１工程と、
前記第１の工程で得られる複数束の一次撚り線を同一円周上に配置して撚り合わせる第２工程と、
前記第２工程で得られる複数束の二次撚り線を同一円周上に配置して撚り合わせる第３工程と、を備え、
前記第３工程における縮径率が前記第２工程における縮径率よりも大きいことを特徴とするリッツ線の製造方法。
【請求項６】
前記第２工程における縮径率が１０〜２０％であり、
前記第３工程における縮径率が２０〜３０％であることを特徴とする請求項５に記載のリッツ線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導型の非接触給電システムにおいて１５０ｋＨｚ以下の周波数帯で使用される高周波非接触給電コイルに好適なリッツ線、リッツ線コイル、及びリッツ線の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）の充電方法の一つとして、コイルを用いた電磁誘導方式の非接触給電が検討されている。非接触給電システムは、交流電源から電力が供給される給電側コイル（一次コイル）と、給電側コイルに対向して配置され、給電側コイルと磁気的に結合する受電側コイルとを備える。ＥＶ用の非接触給電システムにおいては、給電側コイルが車外（床面）に配置され、受電側コイルが車内に配置される。
【０００３】
給電側コイル及び受電側コイルには、例えばエナメル線（導体を絶縁皮膜で被覆した線材）を同一平面上で渦巻き状に巻線してなる平面コイルが適用される。平面コイルは、例えば、線材の一端側を巻枠に固定し、線材に適当な張力を付加しながら巻枠を回転させることにより製造される。単心のエナメル線をコイル用の線材として適用する場合、インダクタンス等の電気特性のばらつきは小さく、実用範囲内で量産することが可能である。
【０００４】
また、ＥＶ用の非接触給電システムのように、高周波の大電流を流して大電力を伝送する必要がある場合は、複数本のエナメル線（素線）を撚り合わせたリッツ線を巻線してなるリッツ線コイルが用いられる（例えば特許文献１）。リッツ線を用いることで、高周波特有の表皮効果や近接効果による交流抵抗を低減することができる。特許文献１には、複数の大径素線及び複数の小径素線をスパイラル状に撚り合わせたリッツ線を適用した高周波給電用コイルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−５６７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、リッツ線は、使用周波数における表皮深さ（電流が流れる表面からの浸透深さ）を参考にして、適切な素線径を選定することが推奨されている。表皮深さｄは、下式（１）で与えられる。
【０００７】
【数１】
2016219252.tif 000003
【０００８】
式（１）より、２００ｋＨｚ以下では、表皮深さを半径と見立てれば、素線径を０．４ｍｍ以下とすることで、表皮効果による交流抵抗を低減することができると考えられる。しかしながら、実際には、素線径が０．１４ｍｍを超えるリッツ線を用いたリッツ線コイルにおいて、１００ｋＨｚ以下でも急激な抵抗上昇が観測された（図６参照）。このように、表皮効果を考慮してリッツ線の素線径を選定するだけでは、リッツ線コイルの交流抵抗を十分に低減することはできない。
【０００９】
本発明の目的は、５０〜１５０ｋＨｚの周波数帯で使用される高周波非接触給電用コイルの交流抵抗を低減できるリッツ線、リッツ線コイル、及びリッツ線の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るリッツ線は、５０〜１５０ｋＨｚの周波数帯で使用される高周波非接触給電コイル用のリッツ線であって、
複数本の素線を撚り合わせてなる一次撚り線を複数束撚り合わせて二次撚り線とし、さらに前記二次撚り線を複数束撚り合わせた構成を有し、
断面が前記複数束の二次撚り線による均等分割構造を有し、
それぞれの分割領域における素線間距離がいずれも３〜１５μｍであることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るリッツ線コイルは、上記のリッツ線を、同一平面上に所定の巻数で渦巻き状に巻線してなることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るリッツ線の製造方法は、複数本の素線を撚り合わせる第１工程と、
前記第１の工程で得られる複数束の一次撚り線を同一円周上に配置して撚り合わせる第２工程と、
前記第２工程で得られる複数束の二次撚り線を同一円周上に配置して撚り合わせる第３工程と、を備え、
前記第３工程における縮径率が前記第２工程における縮径率よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、５０〜１５０ｋＨｚの周波数帯で使用される高周波非接触給電用コイルの交流抵抗を低減することができ、安定した高い電気特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係るリッツ線コイルを示す図である。
【図２】実施の形態に係るリッツ線の詳細な構成を示す断面図である。
【図３】隣接する位置関係にある素線を示す図である。
【図４】約５００本の素線を異なる構造で集合した集合線の交流抵抗を示す図である。
【図５】異なる縮径率で撚り合わせたリッツ線の交流抵抗を示す図である。
【図６】素線径の異なるリッツ線を用いて作製したリッツ線コイルの交流抵抗を示す図である。
【図７】素線数の異なる集合線の交流抵抗を示す図である。
【図８】実施例１、２及び比較例に係るリッツ線の交流抵抗を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係るリッツ線コイルを示す図である。図１に示すリッツ線コイル１は、ＥＶ用の非接触給電システムの給電側コイル又は受電側コイルとして用いられるものである。リッツ線コイル１は、１５０ｋＨｚ以下の周波数帯で使用される場合に好適である。
【００１６】
リッツ線コイル１は、リッツ線１１を同一平面上で渦巻き状に所定の巻数だけ巻線してなる円環状の平面コイルである。リッツ線コイル１は、最外周側と最内周側から引き出される端部１１ａ、１１ｂを有する。この端部１１ａ、１１ｂには、例えば半田付けにより端子金具（図示略）が接続される。
【００１７】
リッツ線コイル１は、コイル内径Ｄｉｎが１５０〜２５０ｍｍ、コイル外径Ｄｏｕｔが３５０〜６００ｍｍ、巻数が５〜５０ターンであることが好ましい。これにより、電気特性の安定化を図ることができるので、ＥＶ用の非接触給電システムの用途として好適である。リッツ線コイル１の寸法（コイル内径Ｄｉｎ、コイル外径Ｄｏｕｔ、巻数）は、非接触給電システムにおいて所望の伝送効率が実現されるように適宜に設計される。
【００１８】
図２は、リッツ線１１の詳細な構成を示す断面図である。図２Ａは二次撚り線１１１を撚り合わせた後の状態を示し、図２Ｂは二次撚り線１１１を撚り合わせる前の状態を示す。
【００１９】
リッツ線１１は、導体に絶縁被膜を焼き付けたエナメル線（素線）を、複数本撚り合わせたものである。エナメル線の導体は、銅又は銅合金であることが好ましく、アルミニウム、アルミニウム合金、又は銅とアルミニウムのクラッド材等を適用することもできる。また、エナメル線の絶縁皮膜には、ポリウレタン、ポリビニルホルマール、ポリウレタンナイロン、ポリエステル、ポリエステルナイロン、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド／ポリアミドイミド、ポリイミド等、リッツ線１１の端部１１ａ、１１ｂを端子金具（図示略）に半田付けする際に高温の半田により溶融する樹脂材料が好適である。
【００２０】
リッツ線１１（親撚り線）は、複数本の素線１１３を撚り合わせてなる一次撚り線１１２（孫撚り線）を複数束均等に撚り合わせて二次撚り線１１１（子撚り線）とし、さらに二次撚り線１１１を複数束均等に撚り合わせて構成される複合撚り線である。
【００２１】
図２Ａに示すように、リッツ線１１の断面は、複数束の二次撚り線１１１よる均等分割構造を有する。「均等分割構造」とは、断面が、撚り合わせた線材（素線、撚り線を含む、図２Ａでは二次撚り線１１１）の数で均等な扇形（内側が円弧の場合を含む）に分割されている構造であり、中心材が配置されている場合を除く。なお、撚り合わせた線材の外形線による形状が扇形になっていると認識できればよく、厳密に均等分割されていなくてもよい。例えば、Ｎ束均等分割構造（Ｎ：３以上の整数）のリッツ線は、Ｎ束の子撚り線を同一円周上に配置して、適当な張力を付与した状態で撚り合わせることにより作製される。
【００２２】
また、リッツ線１１の断面において、それぞれの分割領域における素線間距離は、いずれも３〜１５μｍである。「分割領域における素線間距離」とは、分割領域内のそれぞれの素線について、隣接する素線との離間距離（絶縁被膜間の距離）を測定し、これらの測定値を平均したものである。現実的には、分割領域ごとに数本（例えば３本）の素線を抽出し、これらの素線について、隣接する素線との離間距離を測定し、平均したものを、当該分割領域における素線間距離とすることができる。なお、「隣接する」とは、２本の素線について共通外接線を引いたとき、共通外接線と素線外形で囲まれる領域に他の素線が全く含まれないような位置関係を意味する。つまり、図３において、素線Ｘに対して素線Ａ〜Ｇは隣接するが、素線Ｈ〜Ｎは隣接しない。
【００２３】
図４は、約５００本の素線を異なる構造で集合した集合線の交流抵抗を示す図である。素線径は０．１ｍｍ、試料長は２ｍである。図４中、「×」は５００本の素線を一括して集合した平行集合線（撚り合わせなし）、「■」は７２本の素線を撚り合わせた一次撚り線（子撚り線）を７束撚り合わせた複合リッツ線、「●」は２０本の素線を撚り合わせた一次撚り線（孫撚り線）を５束撚り合わせて二次撚り線（子撚り線）とし、さらにこれを５束撚り合わせた複合リッツ線についての結果を示す。
【００２４】
７束×７２本のリッツ線は、一束の子撚り線を中心に配置し、その周囲に６束の子撚り線を配置して撚り合わせたものである。５束×５束×２０本のリッツ線は、５束均等分割構造を有するものである。
【００２５】
図４より、素線径が同じであっても、撚り合わせ構造が異なると、交流抵抗も異なることが分かる。すなわち、素線径の選択だけでは、低い交流抵抗を得ることはできず、撚り合わせ構造も交流抵抗を低減するための一要因となる。例えば、図４より、複数の素線を撚り合わせたリッツ線は、撚り合わせのない平行集合線に比較して交流抵抗を低減することができる。
【００２６】
また、７束×７２本のリッツ線は、一束の子撚り線を中心に配置し、その周囲に６束の子撚り線を配置して撚り合わせるため、撚り構造が安定する点で有利であるが、近接効果による交流抵抗が高くなり、８０ｋＨｚ以上の高周波数帯ではかなり不利となる。一方、図４には示していないが、中心に子撚り線を配置しない６束均等分割構造を有するリッツ線（６束×８４本）は、撚り構造が崩れないように注意する必要があるが、高周波数帯において実用的な低抵抗を得ることができる。つまり、交流抵抗を低減するためには、均等分割構造を有することが好ましい。
【００２７】
さらには、５束×５束×２０本のリッツ線において理想的な低抵抗が得られていることから、撚り構造を安定させるためには、孫撚り線を撚り合わせて子撚り線とする、すなわち子撚り線を細分化することが有効であるといえる。
【００２８】
しかし、７束以上の子撚り線を撚り合わせる均等分割撚り線は、均等性を保持するのが難しく、形状を保持するためには中心材が必要となる。そのため、リッツ線の外径が大きくなり、リッツ線コイルの大型化を招く。したがって、リッツ線１１の撚り合わせ構造は、三段階の撚り合わせ構造を有し、一次撚り線１１２、二次撚り線１１１ともに６束以下として均等分割撚りすることが好ましい。また、安定した分割構造を形成する観点から、二次撚り線１１１の束数は、一次撚り線１１２の束数以上であることが好ましい。
【００２９】
図５は、異なる縮径率で二次撚り線を撚り合わせたリッツ線の交流抵抗を示す図である。素線径は０．１ｍｍ、撚り合わせ構造は６束×６束×１４本、試料長は２ｍである。また、一次撚り線を撚り合わせるときの縮径率は１５％である。
【００３０】
ここで、「縮径率」は、撚り合わせ後のリッツ線の断面積をＳ１（図２Ａ参照）、撚り合わせ前のリッツ線の断面積をＳ２（図２Ｂ参照）としたとき、（Ｓ２−Ｓ１）／Ｓ２×１００［％］で表される。縮径率は、撚り合わせる際の張力によって制御される。撚り合わせるときの張力が大きい程、中心の空隙が小さくなり、縮径率は大きくなる。なお、図２では、二次撚り線を撚り合わせるときの縮径率について示しているが、一次撚り線を撚り合わせるときの縮径率も同様である。
【００３１】
図５中、「×」、「■」は縮径率を２０％未満とした場合のリッツ線、「▲」は縮径率を２０％とした場合のリッツ線、「●」は縮径率を３０％とした場合のリッツ線についての結果を示す。縮径率が２０％未満のリッツ線（×印及び■印）は、全体的に緩んで均等分割構造が崩れた状態となっていた。これに対して、縮径率が２０％のリッツ線（▲印）及び３０％のリッツ線（●印）は、均等分割構造が保持されていた。また、縮径率が２０％のリッツ線（▲印）及び３０％のリッツ線（●印）では、均等分割されたそれぞれの分割領域における素線間距離がいずれも３〜１５μｍであった。
【００３２】
これより、リッツ線１１の断面において、それぞれの分割領域における素線間距離がいずれも１５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下となっている場合に、交流抵抗を低減することができる。リッツ線１１の製造方法の視点からいえば、二次撚り線１１１を撚り合わせるときの縮径率を２０％〜３０％とすることにより、均等分割構造で、かつ分割領域における素線間距離を所望の範囲（３〜１５μｍ）とすることができ、交流抵抗を低減することができる。
【００３３】
なお、一次撚り線１１２を撚り合わせるときの縮径率は、二次撚り線１１１がほぐれない程度に撚り構造が維持されればよいので、二次撚り線１１１を撚り合わせるときの縮径率よりも小さくてよい。例えば、二次撚り線１１１を撚り合わせるときの縮径率が２０〜３０％に設定される場合、一次撚り線を撚り合わせるときの縮径率は１０〜２０％に設定される。
【００３４】
図６は、素線径の異なるリッツ線を用いて作製したリッツ線コイルの交流抵抗を示す図である。リッツ線コイルの外径は４０ｃｍ、内径は２０ｃｍ、巻数は３２回である。また、リッツ線コイルを構成するリッツ線の素線数は同じである。図４中、「×」は素線径が０．１８ｍｍのリッツ線、「■」は素線径が０．１６ｍｍのリッツ線、「▲」は素線径が０．１４ｍｍのリッツ線、「●」は素線径が０．１０ｍｍのリッツ線を用いたリッツ線コイルについての結果を示す。
【００３５】
図６より、素線径が０．１５ｍｍを超える場合、１００ｋＨｚ以下でも急激な抵抗上昇が見られる。一方、素線径が０．０５ｍｍ未満の場合、機械的強度が低すぎて取り扱いが困難となり、端子金具への接続も困難となる。また、線径が細くなる程、素線コストが著しく増大する。これより、リッツ線１１の素線径は、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
図７は、素線数の異なる集合線（撚り合わせのない一括平行集合線）の交流抵抗を示す図である。素線径は０．１ｍｍ、試料長は４５ｃｍである。図７中、「×」は素線数が５００本の集合線、「■」は素線数が３００本の集合線、「▲」は素線数が１００本の集合線、「●」は素線数が３０本の集合線についての結果を示す。なお、図７では、集合線の交流抵抗を、直流抵抗に対する比率（交流抵抗／直流抵抗）で示している。
【００３７】
撚り合わせのない平行集合線の場合、近接効果が顕著に現れる。図７は、平行集合線材についての結果であるが、リッツ線についても同様の結果になると考えてよい。図７より、１５０ｋＨｚ以下で使用する場合、一束の素線数が３００本以上になると、近接効果による交流抵抗の増大が著しく、実用性がなくなるほど高抵抗になる。１５０ｋＨｚ以下における交流抵抗／直流抵抗が２以下である範囲を実用的な許容範囲と考えると、リッツ線１１の一次撚り線１１２の撚り合わせ数は、１８０本以下であることが好ましく、より好ましくは１００本以下である。なお、一次撚り線１１２の撚り合わせ数は、現実的には１０本以上とされる。
【００３８】
このように、リッツ線１１は、複数本の素線１１３を撚り合わせてなる一次撚り線１１２（孫撚り線）を複数束撚り合わせて二次撚り線１１１（子撚り線）とし、さらに二次撚り線１１１を複数束撚り合わせた構成を有する。また、リッツ線１１の断面は、複数束の二次撚り線１１１による均等分割構造を有し、それぞれの分割領域における素線間距離はいずれも３〜１５μｍである。
【００３９】
リッツ線１１によれば、所望の機械的強度確保しつつ、表皮効果と近接効果による交流抵抗を効果的に低減することができる。したがって、電磁誘導型の非接触給電システムにおいて５０〜１５０ｋＨｚの周波数帯で使用されるコイル用のリッツ線として極めて好適である。また、リッツ線１１を適用したリッツ線コイル１は、安定した高い電気特性を有するので、非接触給電システムの用途として好適である。
【００４０】
このようなリッツ線１１は、以下の工程により製造することができる。すなわち、リッツ線１１の製造方法は、複数本の素線１１３を撚り合わせる第１工程と、第１工程で得られる複数束の一次撚り線１１２を同一円周上に配置して撚り合わせる第２工程と、第２工程で得られる複数束の二次撚り線１１１を同一円周上に配置して撚り合わせる第３工程と、を備え、第３工程における縮径率は第２工程における縮径率よりも大きく設定される。
【００４１】
［実施例１］
実施例１では、５６本の素線を撚り合わせてなる一次撚り線を均等に３束撚り合わせて二次撚り線とし、さらにこの二次撚り線を５束均等に撚り合わせてリッツ線を作製した（総素線数８４０本）。素線径は０．１ｍｍとし、一次撚り線を撚り合わせるときの縮径率は２０％、二次撚り線を撚り合わせるときの縮径率は３０％とした。実施例１に係るリッツ線における素線間距離は５μｍであった。
【００４２】
［実施例２］
実施例２では、１４本の素線を撚り合わせてなる一次撚り線を均等に６束撚り合わせて二次撚り線とし、さらにこの二次撚り線を６束均等に撚り合わせてリッツ線を作製した（総素線数５０４本）。素線径は０．１ｍｍとし、一次撚り線を撚り合わせるときの縮径率は２０％、二次撚り線を撚り合わせるときの縮径率は３０％とした。実施例２に係るリッツ線における素線間距離は１０μｍであった。
【００４３】
［比較例］
比較例では、１２０本の素線を撚り合わせてなる一次撚り線を７束（中心１束、周囲６束）撚り合わせてリッツ線を作製した（総素線数８４０本）。素線径は０．１ｍｍとし、撚り合わせるときの縮径率は０％とした。
【００４４】
［比較結果］
図８は、実施例１、２及び比較例に係るリッツ線の交流抵抗を示す図である。試料長は２ｍである。図８に示すように、８０ｋＨｚにおける交流抵抗で比較すると、実施例１のリッツ線の交流抵抗は、比較例のリッツ線の交流抵抗のほぼ５０％であり、格段に低減された。また、実施例１のリッツ線の８０ｋＨｚにおける抵抗上昇率は、直流抵抗（５．３ｍΩ）を基準とすると２６％であり、非常に小さいといえる。比較例のリッツ線は、均等分割構造ではないため、交流抵抗は高くなったと考えられる。
【００４５】
実施例２のリッツ線の８０ｋＨｚにおける抵抗上昇率は、直流抵抗（９．０ｍΩ）を基準にすると約１０％であり、実施例１と同様、非常に小さいといえる。実施例２のリッツ線は、実施例１のリッツ線よりも導体断面積が小さいので交流抵抗は大きいが、周波数に対する抵抗上昇率は実施例１のリッツ線よりも小さくなった。なお、実施例２に対する比較例については示していないが、実施例１と比較例の比較結果と同様のことがいえる。すなわち、導体断面積（素線数）が同じであれば、均等分割構造を有するリッツ線の交流抵抗は、均等分割構造を有しないリッツ線の交流抵抗よりも小さくなる。
【００４６】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００４７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４８】
１  リッツ線コイル
１１  リッツ線（親撚り線）
１１１  二次撚り線（子撚り線）
１１２  一次撚り線（孫撚り線）
１１３  素線
【図１】
2016219252.tif 000004
【図２】
2016219252.tif 000005
【図３】
2016219252.tif 000006
【図４】
2016219252.tif 000007
【図５】
2016219252.tif 000008
【図６】
2016219252.tif 000009
【図７】
2016219252.tif 000010
【図８】
2016219252.tif 000011