JP2008251801A - コイル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コイル占積率を高めかつ、巻線張力が緩んでコイル形状が変形することによる強度劣化を失くし、また、高い材料コストの融着材を用いることなく、かつ、自己融着線を用いたコイルに比べて放熱性を改善するようなコイルを提供する。
【解決手段】巻枠５と、巻枠５に複数層に整列巻した、導体３に絶縁層４を被覆したエナメル線２と、上下層の互いに接するエナメル線２が形成する隙間に溶融し固化した熱可塑性樹脂糸１が配置された熱可塑性樹脂とを備え、上下層の互いに接するエナメル線２同士が上記熱可塑性樹脂で固着されているものとする。
【選択図】図１

Description

この発明は、ブレーキ、モータ、発電機、トランス等の電磁機器において、コイルの保護や放熱を目的として、エナメル線を固着して形成されるコイル及びその製造方法に関するものである。

従来、コイルにかかる電磁加振力や環境負荷からコイルを保護したり、コイルからのジュール熱を放熱しやすくしたりすることを目的に、エナメル線を固着して形成する。このようなコイルの製造方法としては、自己融着エナメル線や一体モールド成形、ワニス処理などの方法が挙げられる。このうち、自己融着エナメル線は、ワニス炉や成形機のような大型の設備を必要としないという点で、多くの機器に使用されている。一般のエナメル線は、導体に絶縁層を焼き付けているのに対して、自己融着エナメル線は、この絶縁層の外周にさらに加熱硬化可能な樹脂製の自己融着層を形成したものである。

自己融着エナメル線によるコイルの製造方法は、自己融着エナメル線が巻枠に巻線されると、コイルを加熱・加圧し、自己融着層を溶融することによりエナメル線同士が固定される。巻枠の形態には、製品に組込まれる樹脂製部品と、製造工程にのみ用いられる金属製治具がある。コイルの加熱には、巻線中の熱風吹付け、巻線後の加熱炉やコイル通電などの方法が用いられる。金属製治具の巻枠では、巻線・加熱・固定完了後にコイルが巻枠から取り外されて、コイル形成が完了する（例えば、特許文献１参照）。

自己融着エナメル線によるコイルの加熱・加圧時には、自己融着エナメル線同士が接触している箇所から自己融着層の樹脂材が溶融流出して、巻線張力が緩むので、融着材内に空隙ができやすく、強度を有する絶縁物に自己融着層を被覆した融着材を併用して補強する例もある（例えば、特許文献２参照）。

一方、一体モールド成形は、巻線後のコイルを樹脂成形で固着させる方法で、樹脂の成形性・剛性を活かしたモータのステータ・ロータやブレーキコイルの外郭形成や、樹脂の充填による放熱性を活かしたモータの高性能化に活用されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平８−３１６０８２公報（第２−第３頁、図５、図６） 特開平８−３１６０２３公報（第４−頁、図１−図３） 特開平９−３２２４９７公報（第３−第４頁、図３）

従来からエナメル線を固着して形成されるコイルの製造法として用いられている自己融着エナメル線は、導体の外周に絶縁層が設けられ、さらにその最外周に自己融着層を備えている。このため、隣接するエナメル線同士の間には自己融着層の樹脂材が残り、通常のエナメル線を巻線したコイルに比べて、自己融着層の厚み分の余分なスペースができることになる。限られたスペースに高密度にコイルを巻線する高効率・高出力モータや小型ブレーキ等の機器においては、この余分なスペースにより導体占有面積の比率（コイル占積率）の低下のために、機器の高性能化に対してネックとなるという問題があった。

また、自己融着エナメル線は、コイルの加熱・加圧時には、自己融着エナメル線同士が接触している箇所から自己融着層の樹脂材が溶融流出し、巻線張力が緩んでコイル形状が変形するので、自己融着層の樹脂材内に空隙ができて強度低下しやすいという問題があった。

また、この強度低下の問題を避けるためには、自己融着エナメル線の自己融着層に加えて、強度を有する絶縁物に自己融着層を被覆するという複雑な工程による別の融着材を併用する必要があり、材料コストがあがるという問題があった。

また、自己融着エナメル線は、エナメル線同士の間に形成される隙間には何も充填されないため、ワニスや一体モールドのように樹脂が充填されるコイルに比べると熱伝導が悪く、放熱性が劣るため、高性能モータには適用しにくいという問題があった。

また、高性能モータでは、コイル占積率を高めるために、丸線の代わりに平角の自己融着エナメル線を用いることがあるが、平角線の角部は、表面張力で平坦部に比べて絶縁皮膜が薄くなりやすく、絶縁性能低下の可能性が懸念されるという問題があった。

同様に、コイル占積率を高めるために、丸線を変形させて断面形状に平行な平坦部を設けた自己融着エナメル線を用いることがあるが、新たに形成された平坦部と元の丸Ｒ部との境目では絶縁皮膜の伸びが大きく、絶縁性能低下の可能性が懸念されルという問題があった。

一方、一体モールドによるコイルの例では、成形時の圧力がエナメル線に直接かかるので、最外周に巻線されたエナメル線が動きやすく、エナメル線が巻枠からはずれて巻枠の成形樹脂の表面や、モータ・ブレーキ等の鉄心に触れて絶縁を損なう可能性が懸念されルという問題があった。

この発明は上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、コイル占積率において自己融着層の厚み分のスペースを無駄にすることなく、かつ、巻線張力が緩んでコイル形状が変形することによる強度劣化を失くし、また、高い材料コストの融着材を用いることなく、自己融着線に比べて放熱性を改善することができるようなコイル及びその製造方法を提供する。

この発明に係るコイルは、
巻枠と、
上記巻枠に複数層に巻線した、導体に絶縁層を被覆したエナメル線と、
内外層の互いに接するエナメル線が形成する隙間に熱可塑性樹脂糸が配置され、溶融し固化した熱可塑性樹脂とを備え、
上記内外層の互いに接するエナメル線同士が上記熱可塑性樹脂で固着されているものである。

この発明に係るコイルの製造方法は、
巻枠にエナメル線を巻線しつつ、巻線方向に隣接する上記エナメル線同士の谷間に熱可塑性樹脂糸を巻いて上記エナメル線を複数層に巻線する工程、
上記整列巻きの工程の後、上記熱可塑性樹脂糸を加熱溶融させて、内外層の互いに接するエナメル線同士を溶融した上記熱可塑性樹脂で固着するものである。

この発明に係るコイル及びコイルの製造方法によれば、巻線され内外層で隣接するエナメル線同士が形成する隙間に配置され溶融した熱可塑性樹脂糸によって上記エナメル線同士が固着され、かつ、上記エナメル線同士が接触状態で、スペースが無駄にされることなく高密度なコイルが得られる。

また、巻線張力が緩むことはなく、空隙発生による強度低下は起こりにくく、従って、強度を確保するための自己融着層を被覆した絶縁物を用いる必要がなく、材料コストの安価なコイルを得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係るコイルの実施の形態１におけるコイルの構造を説明する断面図である。図１（ａ）において、エナメル線２は、銅等の導体３に絶縁層４を被覆したものであり、絶縁性の巻枠５に俵積み状態に整列巻され、隣接する接触したエナメル線２同士の間に隙間が形成され、この空間に熱可塑性樹脂糸１が配置されている。

図１（ｂ）に示すように、すでに巻線された巻線層の隣接するエナメル線２の外側の谷間付近に熱可塑性樹脂糸１を置くように導きつつエナメル線２を整列巻することによって、熱可塑性樹脂糸１は谷間に誘い込まれて容易に位置決めされ、連続的にかつエナメル線２の巻線と同期して巻き付けられていく。

熱可塑性樹脂糸１は、ナイロン、塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂材料の単線やあるいは繊維状の極細線を撚り合わせたものから成る。

引き続き、俵積み状態の整列巻による巻線が行われると、隣接するエナメル線２の外側の谷間付近に置かれた熱可塑性樹脂糸１を取り囲むように、次の層のエナメル線２が谷間に位置決めされ、図１（ａ）のように巻線が完了する。

巻線が完了した後、コイルの外側から加圧しながらエナメル線２に通電して加熱すると、同一層内で隣接するエナメル線２と次の層のエナメル線２との間の隙間に配置された熱可塑性樹脂糸１が各エナメル線２から伝熱されて溶融し、これらエナメル線２同士が固着される。

図２は、この発明に係るコイルの実施の形態１における他のコイルの構造を説明する断面図である。この例では、図１のコイルにおける熱可塑性樹脂糸１に加えて、別の熱可塑性樹脂糸６が、次の層の隣接するエナメル線２と前の層のエナメル線２との間に形成される隙間に配置される点である。この場合、エナメル線２は、下側の層と巻かれたばかりの上の層との間にできる斜め外向きの谷間に向かう方向の張力を与えられながら配置される。この例では、上記のような張力を与えながら斜め外向きの谷間に置くだけで、熱可塑性樹脂糸６を誘い込んで容易に位置決めすることができ、また、エナメル線２の隙間を多く埋めることができ、放熱上さらに有利なコイルを得ることができる。

図３は、この発明に係るコイルの実施の形態１における熱可塑性樹脂糸の大きさを説明する断面図である。図３は、隣接する３つのエナメル線２の断面（径φＤ）にできた隙間に、最小径φｄの熱可塑性樹脂糸を置いた場合の寸法関係を示しており、図３から、ｄ_ｍｉｎは、
ｄ≧Ｄ（１／ＣＯＳ３０°―１）
≒０．１５Ｄ
である必要がわかる。このことから、すくなくともエナメル線の最外径φＤの０．１５倍以上の等価円径の熱可塑性樹脂糸を準備すれば、隣接するエナメル線を固着しやすくなることがわかる。

また、最大径φｄ_ｍａｘは、隙間面積をＳとすれば、
Ｓ＝（正三角形−３個の扇部）
＝Ｄ×Ｄｓｉｎ６０゜／２−（πＤ×Ｄ／４／６×３）
＝Ｄ×Ｄ／４×（√３−π／２）
ｄ_ｍａｘ＝∫（Ｓ×４／π）
＝０．２２７Ｄ
≒０．３Ｄ
と求められる。

この実施の形態１のコイルによれば、俵状に整列巻された上下層の隣接するエナメル線２が形成する隙間内で隣接するエナメル線２同士を熱可塑性樹脂糸で固着するようにしたので、スペースを無駄にすることなく高密度なコイルが得られる。

また、同一層内で隣接するエナメル線と上記外側に隣接する層のエナメル線との間の隙間に配置された熱可塑性樹脂糸が溶融されることにより上記エナメル線が固着されているので、エナメル線どおしが接触する箇所には自己融着層の樹脂材が残らず、自己融着層の厚み分のスペースを無駄にすることなく高密度なコイルを製造することができる。

また、エナメル線２が形成する全ての隙間内で隣接するエナメル線２同士を熱可塑性樹脂糸で固着するようにしたので、より強固にエナメル線２同士を固着することができる。

また、この実施の形態１のコイルの製造方法によれば、エナメル線２には自己融着層がないので、コイルの加熱・加圧時には、エナメル線２同士が接触している箇所から自己融着層の樹脂材が溶融流出することはなく、巻線張力は緩まず、空隙発生による強度低下は起こりにくく、従って、強度を確保するために自己融着層を被覆した絶縁物を用いる必要がなく、材料コストの安価なコイルを得ることができる。

また、エナメル線２には自己融着層がない分、導体からの発熱を外部へ伝えやすくなる上、俵積み状態に整列巻されたエナメル線２同士で形成される隙間に熱可塑性樹脂糸が溶融して充填されるため、自己融着エナメル線の場合の空隙に比べると放熱性が向上し、銅損の少ない高効率なモータを得ることができる。

図４は、この発明に係るコイルの実施の形態１における他のコイルの構造を説明する断面図である。この例では、エナメル線８は平角形状の導体９に絶縁層１０を焼き付けたもので、ブロックを積むように整然と巻線される。熱可塑性樹脂糸７は、すでに巻かれた同一層の隣接するエナメル線８の外側の谷間に置かれると、誘い込まれて容易に位置決めされる。

一般的に、平角エナメル線の角部は絶縁皮膜が薄くなりやすいと言われているので、谷間に置かれた熱可塑性樹脂糸７は溶融後、エナメル線８の角部どおしを固着することになり、平角エナメル線においても高密度・高強度で放熱性がよく、かつ絶縁性能を確保しやすいコイルを得ることが期待できる。

図５は、この発明に係るコイルの実施の形態１における他のコイルの構造を説明する断面図である。この例では、エナメル線１２は、丸線の導体を巻線前に平行な平坦部を備えるように変形された導体１３を持つ。熱可塑性樹脂糸１１は、すでに巻かれた同一層の隣接するエナメル線１２の外側の谷間に置かれると、誘い込まれて容易に位置決めされる。

絶縁層１４は、このような変形で、平坦部とＲ部の境目で大きな伸びを与えられ、絶縁性能が低下しやすいので、谷間に置かれた熱可塑性樹脂糸１１は溶融後、平坦部とＲ部の境目付近でエナメル線１２どおしを固着することになり、エナメル線を変形させる場合でも、高密度・高強度で放熱性がよく、かつ絶縁性能を確保しやすいコイルを得ることが期待できる。

なお、上記実施の形態１の例では、エナメル線同士の隙間に熱可塑性樹脂糸を配置したが、巻線の回転に同期させるために、巻枠とエナメル線との隙間に部分的に配置しても同様の効果は保たれる。

また、上記実施の形態１の例では、整列巻線されるコイルの例を示したが、部品の製造誤差等で部分的に整列巻線が乱れる場合、部分的に熱可塑性樹脂糸がエナメル線どおしにはさまれる箇所が発生するが、部分的に限定されるのであれば、コイル占積率に大きく影響は及ぼすことはない。

実施の形態２．
図６は、この発明に係るコイルの実施の形態２におけるコイルの構造を説明する断面図である。この実施の形態２では、実施の形態１と同様に巻線時、熱可塑性樹脂糸１を巻きつけ、巻線後、通電加熱にて溶融され、エナメル線２同士が固着される。この状態で、ＰＰＳやエポキシ樹脂、ＢＭＣ等の熱硬化性樹脂材料による一体モールドが行なわれる。

この実施の形態２によれば、成形圧力がエナメル線２にかかっても、エナメル線２同士は固着されているので、はがれたり動いたりすることはなく、エナメル線２がモールド表面に飛び出したり、鉄心と接触したりするような絶縁性能低下の可能性をなくすことができる。

実施の形態３．
図７は、この発明に係るコイルの製造装置を示す正面図、図８はこの製造装置における巻線動作の折返しを説明するコイルの断面図である。図において、スピンドル軸機構１５は、巻枠５を自転させ、線ボビン１９から繰り出されるエナメル線２と、糸ボビン２０から繰り出される熱可塑性樹脂糸１の巻き付けを行なう。ノズル送り軸機構１８は、エナメル線ノズル１６と熱可塑性樹脂糸用ノズル１７を備え、これをスピンドル軸と平行な方向に前後させることにより、スピンドル軸機構１５の回転に合せて、エナメル線２を整列巻きするために必要なピッチ精度で送る。

この実施の形態３の製造方法によれば、既存のスピンドル方式巻線機に、熱可塑性樹脂糸用ノズルを追加で付属させるだけの簡便な方法で自己融着線によらない高密度・高強度・放熱性のよいコイルを得ることができる。

図８には、巻線されるエナメル線２と熱可塑性樹脂糸１の巻線順序を断面円形状の中に書き込んでいる。エナメル線２と熱可塑性樹脂糸１の数字が同じターンが同時に巻線されるターンを表している。図８からわかるように、１層目では、エナメル線２は、図中右側に送られながら巻線され、これに追従するように熱可塑性樹脂糸１はその左外側の谷間に誘い込まれていく。一方、２層目では、エナメル線２は、図中左側に送られながら巻線され、これに追従するように熱可塑性樹脂糸１はその右外側の谷間に誘い込まれていく。このように、層毎の折返しに伴い、熱可塑性樹脂糸１は、エナメル線２に対して、相対的に前後移動する必要がある。熱可塑性樹脂糸用ノズル１７がエナメル線用ノズル１６に対して、スピンドル軸１５方向の前後位置を入れ替えるための入替機構２１は、上記のような層毎の折返し時に機能する。この機構２１は、モータやエアシリンダで制御コントローラの指示に基づいて動作させる方法と、ボールプランジャで固定されながら折返し加速度で受動的に首振りを動作させる方法がある。この機構２１によれば、より精度よく熱可塑性樹脂糸をエナメル線２の谷間に配置して、より高密度・高強度で放熱性のよいコイルを得ることができる。

図９は、この発明に係るコイルの製造方法の実施の形態３における他の例を示す正面図である。図２に示したような２種類の熱可塑性樹脂糸を巻き付けるために、ノズル送り軸機構１８は、エナメル線ノズル１６と熱可塑性樹脂糸用ノズル１７及び糸ボビン２０以外に、熱可塑性樹脂糸用ノズル２２及び糸ボビン２３を備え、熱可塑性樹脂糸６も巻き込める構成となっている。

このように、エナメル線２を巻線するスピンドル回転軸機構１５とノズル送り軸機構１８からなるスピンドル巻線機を流用して、熱可塑性樹脂糸用ノズルを設けるという簡便な方法で本発明のコイルの隙間を漏れなく熱可塑性樹脂糸で充填するという製造方法を得ることができる。

実施の形態４．
図１０は、この発明に係るコイルの製造装置を示す正面図である。チャック２４で固定される巻枠５に対して、エナメル線ノズル１６と熱可塑性樹脂糸用ノズル１７を備えたフライヤヘッド２５を回転機構３２が回転駆動することにより、エナメル線２と熱可塑性樹脂糸１の巻き付けが行なわれる。このとき、エナメル線２は、フライヤ２５と回転軸を経由して、線ボビン１９から繰り出され、熱可塑性樹脂糸１は、フライヤ２５に内蔵された糸ボビン２０からノズル１７を経て繰り出される。回転機構３２の回転動作に同期して、送り機構２６はこれら回転機構３２を回転軸と平行な方向に前後駆動させ、エナメル線２を整列巻きが行なわれる。この方法であれば、既存巻線機のフライヤのエナメル線ノズルとは反対側に、熱可塑性樹脂糸用のノズルと糸ボビンを内蔵するという簡便な方法により、上記実施の形態１のコイルを得ることが可能となる。

以上の実施の形態のコイルを分解するときには、加熱することにより、熱可塑性樹脂は再度溶融されてコイルが分解され、電磁機器分解性が向上し、リサイクルコストを低減することも可能となる。

この発明のコイルは、ブレーキ、モータ、発電機、トランス等の電磁機器に有効に利用することができる。

この発明に係るコイルの実施の形態１におけるコイルの構造を説明する断面図である。 この発明に係るコイルの実施の形態１における他のコイルの構造を説明する断面図である。 この発明に係るコイルの実施の形態１における熱可塑性樹脂糸の大きさを説明する断面図である。 この発明に係るコイルの実施の形態１における他のコイルの構造を説明する断面図である。 この発明に係るコイルの実施の形態１における他のコイルの構造を説明する断面図である。 この発明に係るコイルの実施の形態２におけるコイルの構造を説明する断面図である。 この発明に係るコイルの製造装置を示す正面図である。 実施の形態３の製造装置における巻線動作の折返しを説明するコイルの断面図である。 この発明に係るコイルの製造方法の実施の形態３における他の例を示す正面図である。 この発明に係るコイルの製造装置を示す正面図である。

符号の説明

１，６，７，１１ 熱可塑性樹脂糸，２，８，１２ エナメル線、３ 導体、
４，１０，１４ 絶縁層、５ 巻枠、９ 平角導体、１３ 変形導体、
１５ スピンドル機構、１６ エナメル線ノズル、
１７，２２ 熱可塑性樹脂糸用ノズル、１８ ノズル送り軸機構、１９ 線ボビン、
２０，２３ 糸ボビン、２１ 入替機構、２４ チャック、２５ フライヤヘッド、
２６ 送り機構、２７ 一体モールド樹脂材、３２ 回転機構。

Claims (12)

1. 巻枠と、
   上記巻枠に複数層に巻線された、導体に絶縁層を被覆したエナメル線と、
   内外層の互いに接するエナメル線が形成する隙間に熱可塑性樹脂糸が配置され、溶融し固化した熱可塑性樹脂とを備え、
   上記内外層の互いに接するエナメル線同士が上記熱可塑性樹脂で固着されていることを特徴とするコイル。
2. 上記エナメル線が形成する全ての隙間において、上記上下層の互いに接するエナメル線同士が上記熱可塑性樹脂で固着されていることを特徴と請求項１記載のコイル。
3. 上記エナメル線は、上記導体断面形状が円形で、俵積み状に整列巻されていることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
4. 上記エナメル線は、上記導体断面形状が略長方形である平角線であることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
5. 上記エナメル線は、丸線を変形させて上記導体断面形状に平行な平坦部を設けていることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
6. 上記エナメル線の最外層を取り囲むように熱硬化性樹脂材で一体成形されていることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
7. 巻枠にエナメル線を巻線しつつ、巻線方向に隣接する上記エナメル線同士の谷間に熱可塑性樹脂糸を巻いて上記エナメル線を複数層に巻線する工程、
   上記巻線の工程の後、上記熱可塑性樹脂糸を加熱溶融させて、内外層の互いに接するエナメル線同士を溶融した上記熱可塑性樹脂で固着することを特徴とするコイル製造方法。
8. 上記エナメル線及び熱可塑性樹脂糸は、上記巻枠を回転させ、上記巻枠の回転軸方向に上記エナメル線を供給するエナメル線用ノズルと上記熱可塑性樹脂糸を供給する熱可塑性樹脂糸用ノズルを前後させる機構を備えた巻線機で巻線されることを特徴とする請求項７記載のコイルの製造方法。
9. 上記巻線機は、巻線中、層の折り返し時に上記熱可塑性樹脂糸用ノズルが上記エナメル線用ノズルに対して、回転軸方向の前後位置を入れ替える機構を備えて巻線することを特徴とする請求項８記載のコイルの製造方法。
10. 上記エナメル線は、上記巻枠が回転し、上記エナメル線用ノズルと２本の上記熱可塑性樹脂糸用ノズルを備えた巻線機で巻線されることを特徴とする請求項７記載のコイルの製造方法。
11. 上記エナメル線及び熱可塑性樹脂糸は、上記巻枠を固定し、上記巻枠の中心軸方向に上記エナメル線を供給するエナメル線用ノズルと上記熱可塑性樹脂糸を供給する熱可塑性樹脂糸用ノズルとを上記中心軸の周りに回転させる機構を備えた巻線機で巻線されることを特徴とする請求項７記載のコイルの製造方法。
12. 上記熱可塑性樹脂糸は、その断面積の等価円直径が上記エナメル線外径の０．１５倍以上、０．３倍以下であることを特徴とする請求項７記載のコイルの製造方法。

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