JP2005294775A - コイル及びコイル製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導線の材質や形状に係わらず導線を多列多層に整列して導線が巻かれたコイルを安価に提供することにある。異常温度上昇しにくいコイルを安価に提供することにある。
【解決手段】導線を所定の中心線の周囲に巻いてコイルを製造する装置１０、２０であって、導線をその長寸方向に送り出す送りローラ１１等の送り手段と、送られてくる導線の先に導線が圧接されるとともに前記中心線との距離が可変である変形面を有し、圧接後の導線が前記中心線の周囲を旋回するように導線を変形させる成形ローラ１３等の成形手段と、圧接後の導線を前記中心線方向に進路変更させるピッチ調整ツール２７等の進路変更手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、コイル及びコイル製造装置に属し、特にチョークコイルやトランスなどにおいて用いられる多層にわたる整列巻コイル等に好適なコイルに関する。

電磁コイルは、通常導線を巻いて作られる。従来の巻線方法は、大別して（１）磁気芯もしくはそれに代わる巻芯を回転させ、それに導線を供給する（特許文献１）、又は（２）先端に導線を供給するフライヤーを芯の周囲に旋回させる、の２つある。
いずれの場合も導線に一定の張力を加えながら巻くことになる。従って、従来の多列多層に巻かれたコイルは巻かれた層間の導線が互いに密着している。このように密着していると、通電時に発する熱でコイル及びその周辺の温度が異常に上昇し、機器が正常に動作しなくなるので、これを防止するため、大型の冷却ファンで風を送りコイルを冷やしている。また、直径０．１ｍｍ以下の細い導線では導線が延びたり切れたりしないように張力を精密に制御するための特殊なテンションコントローラを設置している。他方、直径３ｍｍ以上の太い導線では大きな張力と巻芯またはフライヤーを回転させるための大きなトルク発生装置を設置している。
多層巻きのコイルを製造する場合は、導線をボビン又は治具の胴部に整列巻きした第１層の周囲に第２層目を整列巻きし、以下同様に第３層目、第４層目と順次整列巻きしてゆく。
特開２００１−３５９２５０ 特開２００２−２８４４４６

しかし、大型の冷却ファン、テンションコントローラ、大トルク発生装置を備え付けるとコイル製造コストあるいは機器価格を増す。更に、多層巻きコイルにおいて、導線に付与された張力によるくさび効果で導線の落ち込み、ずれ等が発生し（図１５）巻き乱れが生じるため完全な整列巻きは困難である。特に細い線（０．１ｍｍ以下）では、列間のわずかの隙間に導線が落ち込み、巻き乱れが生じやすく整列巻きができない場合がある。このくさび効果により２層目の導線が落ち込むのを防止するために、ボビン胴部に導線の巻き付け位置を規制する係合部を設けた構成が提案されている（特許文献２）が、係合部の加工を形成するために結局加工コストを増す上、細い導線では係合部に導線が係合しない場合があり、すべての導線に対し有効なものではない。
それ故、この発明の第一の課題は、導線の材質や形状に係わらず導線を多列多層に整列して導線が巻かれたコイルを安価に提供することにある。第二の課題は、異常温度上昇しにくいコイルを安価に提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明のコイルは、
所定の中心線又は芯の周囲に螺旋状に巻かれた導線からなる内層と、
その導線に連なり内層コイルの周囲に同心円をなすように螺旋状に巻かれた外層とを備えたことを特徴とする。
ここで内層及び外層は互いに相対的な内外関係を示すもので、この発明のコイルは３層以上からなるものであってもよい。例えば１層目と２層目に着目するならば１層目が内層で２層目が外層となるが、２層目と３層目に着目するならば２層目が内層となる。このような多層多列に巻かれたコイルは、後述のコイル製造装置によって製造可能であり、整列して巻かれているので、コイル間の性能のバラツキが少ない。
前記導線は、断面が対称形状をなしているのが好ましい。異形のものに比べて導線の加工が容易であるし、導線密度も一層高くなるからである。対称形状としては、コイルにおける径方向に長く中心線方向に短い方形が挙げられ、これはいわゆるエッジワイズ巻きされた平角線である。
また、前記内層と芯との間、及び／又は層間に隙間を有すると好ましく、同じく前記内層及び／又は外層は、導線の各ターン間に隙間を有すると好ましい。このように隙間を有することにより、隙間に空気や油などの冷媒を通すことができ、通電に伴って導線から発せられる熱を冷媒で直ぐに吸収することができる。従って、冷却ファンが小型で足りる。

この発明のコイルを製造する一つの適切な装置は、
導線を所定の中心線の周囲に巻いてコイルを製造する装置であって、
導線をその長寸方向に送り出す送り手段と、
送られてくる導線の先に導線が圧接される変形面を有し、圧接後の導線が前記中心線の周囲を旋回するように導線を変形させる成形手段と、
圧接後の導線を前記中心線方向に進路変更させる進路変更手段と
を備えることを特徴とする。
この製造装置によれば、送り手段によって送られてきた導線が連続して成形手段に圧接され、中心線の周囲を旋回するので、導線に張力が加わることなくコイルが形成される。従って、導線の断面が前記のような対称形状であっても外層（上層）の導線が内層（下層）の導線間に落ち込むことも無い。テンションコントローラも大トルク発生装置も必要ない。しかも進路変更手段にてターン間のピッチを調製して整列巻きすることができるうえ、ピッチを導線の直径よりも大きくすることで、ターン間に隙間を形成することができる。

前記送り手段は、導線を送る一対の送りローラと、送られた導線を長寸方向に案内するガイドとからなるものが望ましい。圧接時に導線が望まない方向に折れ曲がるのをガイドが阻止するからである。
前記進路変更手段としては、前記中心線と圧接前の導線との双方に対して角度を有する方向に立てられ、中心線方向に移動可能なピンを有するものが望ましい。このピンを圧接前の導線に掛けて中心線方向に移動することにより、ピンに連れられて導線が進路変更し、ピンが係っていない後続の導線もそれに倣い、ターン間のピッチを制御することができるからである。

この発明のコイルを製造するもう一つの適切な装置は、
導線を中心線の周囲に巻いてコイルを製造する装置であって、
導線をその長寸方向に送り出す送り手段と、
送られてくる導線の先に導線が圧接されるとともに前記中心線との距離が可変である変形面を有し、圧接後の導線が前記中心線の周囲を旋回するように導線を変形させる成形手段と
を備えることを特徴とする。
この製造装置によれば、送り手段によって送られてきた導線が連続して成形手段に圧接され、中心線の周囲を旋回するので、導線に張力が加わることなくコイルが形成される。しかも多層コイルにおいて、導線が外層（上層）に移動するに伴って旋回中に変形面と中心線との距離を導線の厚み以上に大きくすることにより、外層の導線の旋回内径が内層の導線の旋回外径と同等以上になり、外層（上層）の導線が内層（下層）の導線間に落ち込むことも無い。従って、テンションコントローラも大トルク発生装置も必要ない。巻かれた内層の上に隙間を開けて外層を巻くことができる。
前記成形手段が、圧接される導線に連れられて導線の旋回方向と逆回りに回転するローラであり、前記変形面がそのローラの外周面であると望ましい。ローラが回転しながら移動するので、導線の旋回半径も滑らかに変化するからである。

この発明のコイル製造装置は導線に張力を加えないので、多層多列に整列したコイルを製造することができる。この発明のコイル製造装置は、テンションコントローラや大トルク発生装置などの高価な装置を用いなくても導線を整列して巻くことができるので、コイルを安価に提供することができる。

−実施形態１−
この発明の実施形態に係るコイルを図１に斜視図、図２に一部破断正面図として示す。コイル１は、両端に環状の鍔２ａ，２ｂを有する円筒状の芯２の周囲に導線３を螺旋状に巻き、巻かれた導線３の周囲に続けて同じ導線３を巻いたものである。導線３の両端３ａ、３ｂは、巻き径よりも外側に突出しており、外部回路との接続のためのリードを兼ねている。芯２の中心線からみて芯２の外周面と導線３の１層目との間、及び１層目と２層目との間には環状の隙間ｄが形成されている。また、１層目の導線３には各ターン間にも隙間ｗが形成されている。このような隙間ｄ、ｗに図３に示すように例えば矢印方向に空気や油などの冷媒を通すことにより、通電時に導線３が発する熱を冷媒が直接吸収してコイル１を速やかに冷やすことができる。

−実施形態２−
この発明の実施形態に係るコイル製造装置を図４（ａ）に斜視図、図４（ｂ）に一部破断正面図として示す。コイル製造装置１０は、実施形態１と異なり芯の無いコイルを製造するもので、図略の導線を送る一対の送りローラ１１，１１、ガイド１２、成形ローラ１３、コイル受け１４及びカッタ１５からなる。導線は断面方形の平角線であるが、それに限らず断面円形、小判形、楕円形、多角形等でもよい。
ガイド１２は、断面が平角線のそれと同形のガイド孔１２ａを有し、ローラ１１から送られてきた導線を長寸方向に案内する。成形ローラ１３は、それの軸回りに回転可能で且つガイド孔１２ａの出口前方に上下動可能に取り付けられている。コイル受け１４は、巻かれた導線を受けるものであるとともに導線の進路変更手段を兼ねており、円柱状の本体１４ａと軸方向に並んで本体１４ａの外周面に立てられた２本のピン１４ｂ、１４ｃとからなる。ピン１４ｂ、１４ｃは、得ようとするコイルの軸方向長さに等しい間隔を開けて互いに平行で、ともに径方向を向いている。コイル受け１４はｘｙｚ三方向に移動可能である。カッタ１５は、ガイド孔１２ａの出口付近に導線の長寸方向と直交する方向に進退可能に取り付けられている。

この装置１０を用いてコイルを製造する方法は、以下の通りである。先ず図５（ａ）に斜視図、図５（ｂ）に一部破断正面図として示すように、導線３を送りローラ１１でガイド孔１２ａから送り出す。必要なリード長さを確保した位置で成形ローラ１３を上昇させて導線３に圧接させる。圧接された導線３は、図６（ａ）に斜視図、図６（ｂ）に一部破断正面図として示すように、成形ローラ１３を連れ回りさせながら、想定するコイルの中心線の周囲を旋回する。その旋回半径内にコイル受け１４の本体１４ａを待機させておき、導線３の先端３ａにピン１４ｂ、１４ｃ間を通過させる。先端３ａが下降してガイド１２の上面に達する前にコイル受け１４を後退させ（矢印Ａ）、ピン１４ｂで導線３を引っ掛けて導線３の進路を少なくとも先端３ａがガイド１２に衝突しない位置に変更させる。

先端３ａは、図７（ａ）に斜視図、図７（ｂ）に一部破断正面図として示すように、ガイド１２の横を通って２ターン目を旋回し始める。１ターン目の導線は旋回しながら１ピッチ分だけガイド１２から離れる軸方向に移動する。このようにして連続して導線３を送ると、必要なターン数だけ螺旋状に成形される。所定のターン数だけ成形されて先端３ａ即ち１ターン目が向こう側のピン１４ｃに達したところで、図８（ａ）に斜視図、図８（ｂ）に一部破断正面図として示すように、成形ローラ１３を少し下降させる（矢印Ａ）と同時に、コイル受け１４をコイル下端がガイド１２より上方に位置するところまで上昇させる（矢印Ｂ）。１層目の螺旋の周囲に２層目の導線３が旋回し始める。そして、コイル受け１４を前進させる（矢印Ｃ）。このときの前進速度は、導線３が一回りするたびに１ピッチ進む程度にする。
図９（ａ）に斜視図、図９（ｂ）に一部破断正面図として示すように、導線３の旋回とコイル受け１４の前進（矢印Ｄ）が同時になされ、２層目の導線３が１層目の周囲に巻かれていく。最後のターンがピン１４ｃに達したところで送りローラ１１及びコイル受け１４を停止し、図１０（ａ）に斜視図、図１０（ｂ）に一部破断正面図として示すように、成形ローラ１３を下降させる（矢印Ａ）。コイル受け１４をガイド１２の延長線上に移動し（矢印Ｂ）、リード部３ｂを形成した後、カッタ１５を前進させてカッタ１５とガイド孔１２ａとで導線３を剪断する。

こうしてコイル１が得られる。以上の工程のうち図６において、ピン１４ｂによる１ターン目の進路変更幅が導線３の弾性範囲内となるようにコイル受け１４を後退させれば１層目の各ターンが密に隣接したコイルが得られる。逆に弾性範囲以上となるようにコイル受け１４を後退させると、各ターン間に図２に示したような隙間ｗを有するコイルが得られる。また、図８において、成形ローラ１３の下方への移動量を少なくすれば、１層目と２層目を接触させることができるし、大きくすれば１層目と２層目との間に図２に示したような隙間ｄを有するコイルが得られる。更にまた、２層目を巻く際に、導線３の１旋回当たりのコイル受け１４の軸方向移動量を導線３の幅とすれば、２層目の各ターンが密に隣接したコイルが得られるし、それ以上にすれば各ターン間に隙間を有するコイルが得られる。
以上のように、この実施形態の製造装置によれば導線を多層に整列して巻くことができるし、コイル内の導線のピッチあるいは隙間を自在に且つ簡易に設定することができる。

−実施形態３−
この発明のもう一つの実施形態に係るコイル製造装置を図１１に斜視図として示す。この装置２０は、実施形態１と同じく軸方向両端に径大の鍔を有する芯の周囲に導線を巻くもので、一対の送りローラ１１，１１、ガイド１２、成形ローラ１３、芯受け２４、カッタ２５、第二ガイド２６及びピッチ調整ツール２７からなる。送りローラ１１，１１、ガイド１２及び成形ローラ１３は、互いの位置関係も含めて実施形態２と同様であるので説明を省略する。
芯受け２４は、芯２を支持するもので、本体２４ａがｘｙｚ三方向に移動可能であるとともに、それに取り付けられた軸２４ｂが回転可能である。カッタ２５は下端に剪断挟みが取り付けられていて上下動可能である。第二ガイド２６は、平角線の断面における比（長辺／短辺）が大きい場合に平角線の倒れ防止のために必要なもので、ガイド１２と成形ローラ１３との間に設けられ、幅が平角線の幅と同じ断面方形で上方に開いたガイド溝を有する。尚、第二ガイド２６を必要な方向（左右）に移動しガイド１２から送出された導線を変形させることによりコイルのピッチ調整をすることも出来る。ツール２７は、導線の進路変更手段であり、上下方向に長い棒状をなし、ｘｙｚ三方向に移動可能である。

この装置２０を用いてコイルを製造する方法は、以下の通りである。先ず実施形態２と同様に、導線３を送りローラ１１でガイド孔１２ａから送り出し、第二ガイド２６に通す。必要なリード長さを確保した位置で成形ローラ１３を上昇させて導線３に圧接させる。圧接された導線３は、図１２（ａ）に斜視図、図１２（ｂ）に一部破断正面図として示すように、成形ローラ１３を連れ回りさせながら、芯２の周囲を旋回する。導線３の先端３ａが下降してガイド１２の上面に達するまでに芯２の芯受け２４側の鍔２ａとツール２７とで先端３ａを挟み、芯受け２４を後退させることにより、導線３の進路を少なくとも先端３ａがガイド１２に衝突しない位置に変更させる。ツール２７を上昇させて導線３から遠ざける。

先端３ａは、実施形態２と同様に、ガイド１２の横を通って２ターン目を旋回し始める。１ターン目の導線は旋回しながら１ピッチ分だけガイド１２から離れる軸方向に移動する。このようにして連続して導線３を送ると同時に導線３が一回りするたびに芯受け２４を１ピッチ後退させると、必要なターン数だけ螺旋状に成形される。所定のターン数だけ成形されて導線３が他方の鍔２ｂに達したところで、図１３（ａ）に斜視図、図１３（ｂ）に一部破断正面図として示すように、成形ローラ１３を少し下降させると同時に、芯受け２４をコイル下端がガイド１２より上方に位置するところまで上昇させる。１層目の螺旋の周囲に２層目の導線３が旋回し始める。そして、芯受け２４を前進させる。このときの前進速度も、導線３が一回りするたびに１ピッチ進む程度にする。
導線３の旋回と芯受け２４の前進が同時になされ、２層目の導線３が１層目の周囲に巻かれていく。最後のターンが鍔２ａに達したところで送りローラ１１及び芯受け２４を停止し、図１４（ａ）に斜視図、図１４（ｂ）に一部破断正面図として示すように、成形ローラ１３を下降させる。カッタ２５を下降させて下端の挟みで導線３を剪断する。
この実施形態の製造装置によっても実施形態２におけると同様に導線を多層に整列して巻くことができるし、コイル内のピッチや隙間を自在に且つ簡易に設定することができる。

実施形態１のコイルを示す斜視図である。 上記コイルの一部破断正面図である。 上記コイルの作用を説明する一部破断正面図である。 実施形態２のコイル製造装置を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態２のコイル製造装置を用いてコイルを製造する方法の第一工程を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態２のコイル製造装置を用いてコイルを製造する方法の第二工程を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態２のコイル製造装置を用いてコイルを製造する方法の第三工程を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態２のコイル製造装置を用いてコイルを製造する方法の第四工程を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態２のコイル製造装置を用いてコイルを製造する方法の第五工程を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態２のコイル製造装置を用いてコイルを製造する方法の最終工程を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態３のコイル製造装置を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態３のコイル製造装置を用いてコイルを製造する方法の初期工程を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態３のコイル製造装置を用いてコイルを製造する方法の中間工程を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 実施形態３のコイル製造装置を用いてコイルを製造する方法の最終工程を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその一部破断正面図である。 従来の方法で多層多列のコイルを製造する過程における問題点を示す断面図である。

符号の説明

１ コイル
２ 芯
３ 導線
１０、２０ コイル製造装置
１１ 送りローラ
１２ 導線ガイド
１３ 成形ローラ
１４ コイル受け
１５、２５ カッタ
２４ 芯受け
２６ 第二ガイド
２７ ピッチ調整ツール

Claims (10)

1. 所定の中心線又は芯の周囲に螺旋状に巻かれた導線からなる内層と、
   その導線に連なり内層コイルの周囲に同心円をなすように螺旋状に巻かれた外層とを備えたことを特徴とするコイル。
2. 前記導線は、断面が対称形状をなしている請求項１に記載のコイル。
3. 前記対称形状が、コイルの径方向に長く中心線方向に短い方形である請求項２に記載のコイル。
4. 前記内層と芯との間、及び／又は層間に隙間を有する請求項１〜３のいずれかに記載のコイル。
5. 前記内層及び／又は外層は、導線の各ターン間に隙間を有する請求項１〜４のいずれかに記載のコイル。
6. 導線を所定の中心線の周囲に巻いてコイルを製造する装置であって、
   導線をその長寸方向に送り出す送り手段と、
   送られてくる導線の先に導線が圧接される変形面を有し、圧接後の導線が前記中心線の周囲を旋回するように導線を変形させる成形手段と、
   圧接後の導線を前記中心線方向に進路変更させる進路変更手段と
   を備えることを特徴とするコイル製造装置。
7. 前記送り手段が、導線を送る一対の送りローラと、送られた導線を長寸方向に案内するガイドとからなる請求項６に記載の装置。
8. 前記進路変更手段が、前記中心線と圧接前の導線との双方に対して角度を有する方向に立てられ、中心線方向に移動可能なピンを有する請求項６に記載の装置。
9. 導線を所定の中心線の周囲に巻いてコイルを製造する装置であって、
   導線をその長寸方向に送り出す送り手段と、
   送られてくる導線の先に導線が圧接されるとともに前記中心線との距離が可変である変形面を有し、圧接後の導線が前記中心線の周囲を旋回するように導線を変形させる成形手段と
   を備えることを特徴とするコイル製造装置。
10. 前記成形手段が、圧接される導線に連れられて導線の旋回方向と逆回りに回転するローラであり、前記変形面がそのローラの外周面である請求項９に記載の装置。

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