特開 2023-90413 電線の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023090413

(43)【公開日】2023-06-29

(54)【発明の名称】電線の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01B 13/02 20060101AFI20230622BHJP

   H01B 13/00 20060101ALI20230622BHJP

【ＦＩ】

H01B13/02 Z

H01B13/00 511Z

H01B13/00 541

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021205358

(22)【出願日】2021-12-17

(71)【出願人】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(71)【出願人】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】591086843

【氏名又は名称】古河電工産業電線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】山本 圭介

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 純一

(72)【発明者】

【氏名】森 澄人

(72)【発明者】

【氏名】茂木 優太

【テーマコード（参考）】

5G325

【Ｆターム（参考）】

5G325BC01

(57)【要約】

【課題】高周波送電における損失を低減できる電線の製造方法を提供する。
【解決手段】本開示は、絶縁性かつ円筒状又は円柱状の芯材と、芯材を囲むように配置された円筒状の集合導体と、集合導体を被覆する絶縁被覆とを備える電線の製造方法である。電線の製造方法は、集合導体の外周面からの距離が表皮深さ以下の特定領域における集合導体の占有断面積に基づいて、集合導体を構成する複数の導体素線の半径及び本数を決定する工程と、芯材の外周面に沿って複数の導体素線を配置する工程と、複数の導体素線を芯材の周りに同心撚りすることで集合導体を形成する工程と、芯材及び集合導体を絶縁被覆で被覆する工程と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁性かつ円筒状又は円柱状の芯材と、前記芯材を囲むように配置された円筒状の集合導体と、前記集合導体を被覆する絶縁被覆とを備える電線の製造方法であって、
前記集合導体の外周面からの距離が表皮深さ以下の特定領域における前記集合導体の占有断面積に基づいて、前記集合導体を構成する複数の導体素線の半径及び本数を決定する工程と、
前記芯材の外周面に沿って前記複数の導体素線を配置する工程と、
前記複数の導体素線を前記芯材の周りに同心撚りすることで前記集合導体を形成する工程と、
前記芯材及び前記集合導体を絶縁被覆で被覆する工程と、
を備える、電線の製造方法。

【請求項2】

前記決定する工程では、
前記電線の断面において前記集合導体の外周面よりも内側の第１領域の面積から前記特定領域よりも内側の第２領域の面積を減じたものを前記占有断面積とし、
前記占有断面積の算出に用いる前記集合導体の外径を、同心撚りされる前の前記複数の導体素線の半径と、前記芯材の周方向に並んで配される前記複数の導体素線の本数との関数とする、請求項１に記載の電線の製造方法。

【請求項3】

前記決定する工程では、
前記特定領域内の前記複数の導体素線の断面積の和を前記占有断面積とし、
前記占有断面積の算出に用いる前記特定領域内で前記芯材の径方向に並んで配置される前記複数の導体素線の本数を、前記表皮深さと、同心撚りされる前の前記複数の導体素線の半径との関数とする、請求項１に記載の電線の製造方法。

【請求項4】

前記複数の導体素線は、ぞれぞれ、複数の素線が撚り合わせられた撚り線である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電線の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電線の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

芯材の外周面に複数の導体を配置した高周波送電用の電線が公知である（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－２５１１０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

高周波送電では、導体における表皮深さが小さくなるため、電流の損失が大きくなる。そのため、効率よく高周波送電を行うには、電流が集中する表皮深さの範囲での導体密度を高める必要がある。

【0005】

本開示の一局面は、高周波送電における損失を低減できる電線の製造方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様は、絶縁性かつ円筒状又は円柱状の芯材と、芯材を囲むように配置された円筒状の集合導体と、集合導体を被覆する絶縁被覆とを備える電線の製造方法である。

【0007】

電線の製造方法は、集合導体の外周面からの距離が表皮深さ以下の特定領域における集合導体の占有断面積に基づいて、集合導体を構成する複数の導体素線の半径及び本数を決定する工程と、芯材の外周面に沿って複数の導体素線を配置する工程と、複数の導体素線を芯材の周りに同心撚りすることで集合導体を形成する工程と、芯材及び集合導体を絶縁被覆で被覆する工程と、を備える。

【0008】

このような構成によれば、複数の導体素線を芯材の周りに同心撚りして集合導体を形成することで、導体密度を高めることができる。また、表皮深さの範囲における集合導体の占有断面積が大きくなるように複数の導体素線の半径及び本数を決定できる。そのため、高周波送電における損失を低減できる電線が得られる。

【0009】

本開示の一態様では、決定する工程では、電線の断面において集合導体の外周面よりも内側の第１領域の面積から特定領域よりも内側の第２領域の面積を減じたものを占有断面積とし、占有断面積の算出に用いる集合導体の外径を、同心撚りされる前の複数の導体素線の半径と、芯材の周方向に並んで配される複数の導体素線の本数との関数としてもよい。このような構成によれば、導体素線の配置効率と占有断面積とのバランスをとることができる。

【0010】

本開示の一態様では、決定する工程では、特定領域内の複数の導体素線の断面積の和を占有断面積とし、占有断面積の算出に用いる特定領域内で芯材の径方向に並んで配置される複数の導体素線の本数を、表皮深さと、同心撚りされる前の複数の導体素線の半径との関数としてもよい。このような構成によれば、製造コスト上昇のリスクを回避しつつ、占有断面積を確保して電流の損失を低減させることができる。

【0011】

本開示の一態様では、複数の導体素線は、ぞれぞれ、複数の素線が撚り合わせられた撚り線であってもよい。このような構成によれば、集合導体の単位断面積当たりの抵抗値を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１Ａ及び図１Ｂは、実施形態における電線の模式的な断面図である。

【図2】図２は、実施形態における電線の製造方法を示すフローチャートである。

【図3】図３は、第１の方法における占有断面積の算出手順を示す模式図である。

【図4】図４は、第１の方法における占有断面積と導体素線の本数との関係の一例を示すグラフである。

【図5】図５Ａ及び図５Ｂは、第２の方法における単位領域を示す模式図である。

【図6】図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ及び図６Ｄは、第２の方法における占有断面積の算出手順を示す模式図である。

【図7】図７は、第２の方法における占有断面積と導体素線の半径との関係の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
本実施形態の電線の製造方法は、図１Ａ又は図１Ｂに示す電線１０を得る目的で実施される。

【0014】

＜電線＞
電線１０の用途は特に限定されないが、特に高周波電流の伝送に好適に用いられる。電線１０は、例えば、鉄道車両、自動車、工場内の搬送装置等の移動体への非接触給電用のコイル、電気高炉における電源内配線又は給電路などにおいて使用される。

【0015】

電線１０は、集合導体１１と、絶縁被覆１２と、芯材１３とを備える。
集合導体１１は、円筒状であり、芯材１３を囲むように配置されている。集合導体１１は、筒状に束ねられた複数の導体素線１１Ａが芯材１３の周りに同心撚りされることによって構成されている。なお、導体素線１１Ａは、同心撚りによって電線１０の径方向に圧縮されることで、縮径する。

【0016】

導体素線１１Ａは、例えば銅又は銅合金等の金属製である。また、複数の導体素線１１Ａは、それぞれ、金属製の複数の素線が撚り合わせられた撚り線である。導体素線１１Ａは、芯材１３の周りを旋回するように螺旋状に撚られている。

【0017】

絶縁被覆１２は、集合導体１１を被覆する円筒状の絶縁体である。絶縁被覆１２は、集合導体１１の外周面上に配置されている。絶縁被覆１２は、例えば絶縁性の樹脂によって形成されている。

【0018】

芯材１３は、円筒状（図１Ａ参照）又は円柱状（図１Ｂ参照）の絶縁体である。芯材１３は、集合導体１１の内側、つまり集合導体１１の中空部に配置されている。集合導体１１を構成する複数の導体素線１１Ａは、芯材１３の外周面に沿って配置されている。

【0019】

＜電線の製造方法＞
本実施形態の電線の接続方法は、図２に示すように、決定工程Ｓ１０と、配置工程Ｓ２０と、同心撚り工程Ｓ３０と、被覆工程Ｓ４０とを備える。

【0020】

＜決定工程＞
本工程では、集合導体１１の外周面からの距離が表皮深さδ以下の特定領域Ｒにおける集合導体１１の占有断面積に基づいて、集合導体１１を構成する複数の導体素線１１Ａの半径及び本数を決定する。

【0021】

表皮深さδは、集合導体１１に高周波電流が流れるときの表皮効果によって、電流が表皮電流（つまり集合導体１１の外周面を流れる電流）に対し１／ｅまで低下する距離を意味する。つまり、特定領域Ｒは、表皮電流の１／ｅ以上の電流が流れる領域である。

【0022】

表皮深さδは、下記式（１）により算出される。式（１）中、ｆは周波数［Ｈｚ］、μ_ｒは導体の比透磁率、μ_０は真空の透磁率、σは導体の導電率［Ｓ／ｍ］である。
δ＝１／（π・ｆ・μ_ｒ・μ_０・σ）^１／２ ・・・（１）

【0023】

集合導体１１の占有断面積の算出、並びに導体素線１１Ａの半径及び本数の決定は、以下に説明する第１の方法、又は第２の方法によって算出される。

【0024】

（第１の方法）
第１の方法は、特定領域Ｒにおいて、複数の導体素線１１Ａが一層に（つまり電線１０の径方向には重ならないように）配置される場合を対象とする。第１の方法では、複数の導体素線１１Ａによって特定領域Ｒが密に充填され、特定領域Ｒで導体素線１１Ａの間には隙間が存在しないと仮定して占有断面積Ｓを求める。

【0025】

すなわち、第１の方法では、占有断面積Ｓは、電線１０の断面において集合導体１１の外周面よりも内側の第１領域の面積から、電線１０の断面において特定領域Ｒよりも内側の第２領域の面積を減じたものとする。

【0026】

具体的には、図３に示す第１円Ｃ１の面積から、第２円Ｃ２の面積を減じた面積（つまり、第１円Ｃ１と第２円Ｃ２とで挟まれた特定領域Ｒの面積）を集合導体１１の占有断面積Ｓとする。なお、図３には、同心撚りされる前の導体素線１１Ａが図示されている。

【0027】

第１円Ｃ１は、同心撚りした後（つまり均した後）の複数の導体素線１１Ａを包含する最小円であり、集合導体１１の外周と一致する。したがって、第１円Ｃ１の半径ｒｃは、集合導体１１の外径の１／２である。第２円Ｃ２は、第１円Ｃ１の半径から表皮深さδを減じた半径を有する第１円Ｃ１の同心円である。

【0028】

集合導体１１の特定領域Ｒにおける占有断面積Ｓは、第１円Ｃ１の半径ｒｃを用いて、下記式（２）で算出される。
Ｓ＝π・ｒｃ^２－π・（ｒｃ－δ）^２ ・・・（２）

【0029】

第１円Ｃ１の半径ｒｃは、下記式（３）により算出される。式（３）中、ｒｍは芯材１３の半径（つまり外径の１／２）、ｔは集合導体１１の厚み、ｒａは同心撚りされる前の導体素線１１Ａの半径、ｎは芯材１３の外周面上に配置された導体素線１１Ａの本数である。
ｒｃ＝ｒｍ＋ｔ＝（ｒｍ^２－ｎ・ｒａ^２）^１／２ ・・・（３）

【0030】

このように、占有断面積Ｓの算出（具体的には第１円Ｃ１の面積の算出）に用いられる集合導体１１の外径（つまり第１円Ｃ１の半径）は、式（３）に示される、同心撚りされる前の複数の導体素線１１Ａの半径ｒａと、芯材１３の周方向に並んで配される複数の導体素線１１Ａの本数ｎとの関数ｒｃ（ｒａ，ｎ）で表される。

【0031】

導体素線１１Ａの半径ｒａは、芯材１３の半径ｒｍと導体素線１１Ａの本数ｎとに対し、下記式（４）の関係を有する。

【0032】

【数1】

【0033】

式（２）、式（３）及び式（４）から、芯材１３の半径ｒｍが固定されたとき、占有断面積Ｓは、導体素線１１Ａの本数ｎの関数となる。図４に示すように、占有断面積Ｓは、導体素線１１Ａの本数ｎが増加するに伴って減少する。占有断面積Ｓの減少率は、導体素線１１Ａの本数ｎが大きいほど小さくなる。

【0034】

導体素線１１Ａの本数ｎは、必要とされる占有断面積Ｓが確保される数以下に制限される。一方、導体素線１１Ａの本数ｎが小さくなると導体素線１１Ａの半径ｒａが増加する。すなわち、導体素線１１Ａの本数ｎが小さいほど特定領域Ｒ外に配置される導体素線１１Ａの部位が大きくなるため、導体素線１１Ａの配置効率が低下する。

【0035】

以上から、ｎの増加に対するＳの減少率（つまり微分値）が予め定めた閾値を初めて超えるｎの値を導体素線１１Ａの本数とすることで、配置効率と占有断面積Ｓとのバランスをとることができる。

【0036】

以上のように、第１の方法では、式（２）、式（３）及び式（４）によって表される占有断面積Ｓに基づいて、複数の導体素線１１Ａの本数ｎを決定する。

【0037】

（第２の方法）
第２の方法は、特定領域Ｒにおいて、複数の導体素線１１Ａが多層に（つまり電線１０の径方向に多段に重ねて）配置される場合を対象とする。

【0038】

第２の方法では、特定領域Ｒにおける複数の導体素線１１Ａ間に隙間が存在すると仮定して占有断面積Ｓを求める。つまり、第２の方法では、集合導体１１の占有断面積Ｓは、特定領域Ｒ内の複数の導体素線１１Ａの断面積の和とされる。

【0039】

具体的には、図５Ａに示すように、まず、特定領域Ｒを、一辺の長さが表皮深さδ、他片の長さが２ｒａである長方形状の単位領域Ｒ０に分割する。なお、図５Ａでは、図の左側が電線１０の径方向外側である。また、ｒａは同心撚りされる前の導体素線１１Ａ（図５Ａの導体素線Ｗ１－Ｗ４）の半径である。

【0040】

単位領域Ｒ０では、最外層の第１導体素線Ｗ１と最内層の第４導体素線Ｗ４との間に２つの中間層の第２導体素線Ｗ２及び第３導体素線Ｗ３が配置されている。第１導体素線Ｗ１と第４導体素線Ｗ４とは、中心軸が電線１０の半径方向に並ぶように配置されている。なお、第１導体素線Ｗ１は、図５Ａでは、１層で配置されているが、多層状に（つまり径方向に複数本並んで）配置されてもよい。

【0041】

第２導体素線Ｗ２と第３導体素線Ｗ３は、それぞれ、第１導体素線Ｗ１と第４導体素線Ｗ４とに接している。また、第２導体素線Ｗ２と第３導体素線Ｗ３とは、電線１０の周方向に接している。第２導体素線Ｗ２と第３導体素線Ｗ３との接点は、第１導体素線Ｗ１の中心と第４導体素線Ｗ４の中心とを結ぶ線分上に存在する。

【0042】

電線１０の中心軸と垂直な断面において、第１導体素線Ｗ１は、全体が単位領域Ｒ０に含まれる。一方、第４導体素線Ｗ４の一部の領域（つまり芯材１３に近い領域）は、単位領域Ｒ０に含まれない。

【0043】

第２導体素線Ｗ２及び第３導体素線Ｗ３それぞれの電線１０の周方向における半分は、単位領域Ｒ０に含まれない。そのため、第２導体素線Ｗ２の単位領域Ｒ０に含まれる部分の断面積と、第３導体素線Ｗ３の単位領域Ｒ０に含まる部分の断面積とを足し合わせたものは、図５Ｂに示すように、１つの仮想導体素線Ｗ５の断面積と等しい。

【0044】

仮想導体素線Ｗ５は、単位領域Ｒ０において、第１導体素線Ｗ１と第４導体素線Ｗ４とにそれぞれ重なっている。第２の方法では、単位領域Ｒ０を用いて、第１導体素線Ｗ１の断面積と、仮想導体素線Ｗ５のうち特定領域Ｒに含まれる部分の断面積と、第４導体素線Ｗ４のうち特定領域Ｒに含まれる部分の断面積との和を、占有断面積Ｓとする。

【0045】

具体的には、第２の方法では、図６Ａに示すように、単位領域Ｒ０における第１面積Ｓ１、第２面積Ｓ２、及び第３面積Ｓ３を求める。

【0046】

図６Ｂに示すように、第１面積Ｓ１（図６Ａ参照）は、第１導体素線Ｗ１全体の断面積Ｓ１１と、仮想導体素線Ｗ５のうち第４導体素線Ｗ４よりも径方向外側の部分の断面積Ｓ１２との和である。断面積Ｓ１１は、下記式（５）で求められる。
Ｓ１１＝ｉ・πｒａ^２ ・・・（５）

【0047】

ｉは、第１導体素線Ｗ１の総数（つまり単位領域Ｒ０に含まれる本数）であり、下記式（６）で表されるように、表皮深さδを第１導体素線Ｗ１の直径２ｒａで除したときの最大の整数である。

【0048】

【数2】

【0049】

断面積Ｓ１２は、中心角が（２π－θ）の扇形の面積であり、下記式（７）及び式（８）で求められる。

【0050】

【数3】

【0051】

【数4】

【0052】

（ｊ－ｉ）は、単位領域Ｒ０に含まれる仮想導体素線Ｗ５の本数である。ｊは、下記式（９）で表されるように、表皮深さδを３^１／２ｒａで除したときの最大の整数であり、（ｊ－ｉ）は、１又は０である。

【0053】

【数5】

【0054】

式（９）によって求められるｊは、特定領域Ｒ内で芯材１３の径方向に並んで配置される複数の導体素線１１Ａの本数である。このように、占有断面積Ｓの算出に用いられる複数の導体素線１１Ａの径方向の本数は、表皮深さδと、同心撚りされる前の複数の導体素線１１Ａの半径ｒａとの関数ｊ（δ，ｒａ）で表される。

【0055】

図６Ｃに示すように、第２面積Ｓ２（図６Ａ参照）は、仮想導体素線Ｗ５のうち単位領域Ｒ０に含まれる部分の断面積Ｓ２１から、第１面積Ｓ１の算出で用いた断面積１２を引いた値である。

【0056】

断面積Ｓ２１は、中心角が（２π－α）の扇形の面積であり、下記式（１０）及び式（１１）で求められる。

【0057】

【数6】

【0058】

【数7】

【0059】

図６Ｄに示すように、第３面積Ｓ３（図６Ａ参照）は、中心角がβの扇形の面積Ｓ３１から、二等辺三角形の面積Ｓ３２を減じた値であり、下記式（１２）及び式（１３）で求められる。

【0060】

【数8】

【0061】

【数9】

【0062】

以上の第１面積Ｓ１、第２面積Ｓ２及び第３面積Ｓ３により、単位領域Ｒ０における集合導体１１の断面積Ｓ０は、下記式（１４）で求められる。
Ｓ０＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＝（Ｓ１１＋Ｓ１２）＋（Ｓ２１－Ｓ１２）＋Ｓ３
＝Ｓ１１＋Ｓ２１＋Ｓ３ ・・・（１４）

【0063】

特定領域Ｒにおける集合導体１１の占有断面積Ｓは、下記式（１５）で求められる。式（１５）中、Ｓ１０は単位領域Ｒ０の面積、Ｓ２０は、特定領域Ｒの面積である。
Ｓ＝（Ｓ０／Ｓ１０）・Ｓ２０ ・・・（１５）

【0064】

式（１５）によって得られる占有断面積Ｓは、図７に示すように、導体素線１１Ａの半径ｒａが増加するに伴って減少する。また、占有断面積Ｓの減少率は、導体素線１１Ａの半径ｒａが大きいほど小さくなる。

【0065】

導体素線１１Ａの半径ｒａは、必要とされる占有断面積Ｓが確保される値以下に制限される。一方、導体素線１１Ａの半径ｒａが小さくなると、素線の強度及び製造のし易さが低下する。そのため、半径ｒａを小さくしすぎると、品質低下及び製造コスト上昇のリスクが生じる。

【0066】

以上から、ｒａの増加に対するＳの減少率（つまり微分値）が予め定めた閾値を初めて超えるｒａの値を導体素線１１Ａの半径とし、この半径に応じて導体素線１１Ａの本数を決定することで、上述したリスクを回避しつつ、占有断面積Ｓを確保することができる。

【0067】

このように、第２の方法では、式（１５）によって表される占有断面積Ｓに基づいて、複数の導体素線１１Ａの半径ｒａを決定する。

【0068】

＜配置工程＞
本工程では、芯材１３の外周面に沿って複数の導体素線１１Ａを配置する。配置される導体素線１１Ａの本数及び半径は、決定工程Ｓ１０で決定されたものである。

【0069】

＜同心撚り工程＞
本工程では、複数の導体素線１１Ａを芯材１３の周りに同心撚りすることで、集合導体１１を形成する。同心撚りにより、複数の導体素線１１Ａが芯材１３の中心に向けて圧縮される。

【0070】

＜被覆工程＞
本工程では、同心撚り工程Ｓ３０後の芯材１３及び集合導体１１を絶縁被覆１２で被覆する。これにより、高周波送電用の電線１０が得られる。

【0071】

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）複数の導体素線１１Ａを芯材１３の周りに同心撚りして集合導体１１を形成することで、導体密度を高めることができる。また、表皮深さδの範囲における集合導体１１の占有断面積Ｓが大きくなるように複数の導体素線１１Ａの半径ｒａ及び本数ｎを決定できる。そのため、高周波送電における損失を低減できる電線１０が得られる。

【0072】

（１ｂ）第１の方法によって、導体素線１１Ａの配置効率と占有断面積Ｓとのバランスをとることができる。
（１ｃ）第２の方法によって、製造コスト上昇のリスクを回避しつつ、占有断面積Ｓを確保して電流の損失を低減させることができる。

【0073】

（１ｄ）複数の導体素線１１Ａがそれぞれ複数の素線が撚り合わせられた撚り線であることで、集合導体１１の単位断面積当たりの抵抗値を低減することができる。

【0074】

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

【0075】

（２ａ）上記実施形態の電線の製造方法において、複数の導体素線は、必ずしも撚り線でなくてもよい。

【0076】

（２ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

【符号の説明】

【0077】

１０…電線、１１…集合導体、１１Ａ…導体素線、１２…絶縁被覆、１３…芯材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】