JP2011060978A - コイルの巻回方法、構造、およびこのコイルを用いて形成された装置並びに部品。 - Google Patents

Abstract

【課題】これまでにないコイルの巻き方を提供すると共に、当該新規な巻き方をしたコイルを用いて構成したモーター、発電機、その他の電気機械器具を提供すること。
【解決手段】電気導線をスパイラル状に巻いて形成したスパイラル線を、更に、当該スパイラル線の巻回方向と同じ向きにスパイラル状に巻いて形成して成る電気導線の巻回し構造、および当該構造を有する導線とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルの巻回方法、構造、およびこのコイルを用いて形成された電気・磁気装置に関し、特に新規な巻き回し構造を有するコイルと、これを用いた電気・磁気装置に関する。

従前において、モーターやトランスを始めとする各種の電磁機械器具や部品など、様々な分野においてコイルが使用されている。そして当該コイルに電荷を与えて使用される電磁コイルは、磁性体や非磁性体に巻きまわして使用されているのが通例である。そして当該コイルの巻き方について改良を行った先行技術は、例えば以下の特許文献１〜４で提案されている。

特許文献１（特開２００４−３２０９３４号公報）では、直進駆動と回転駆動をそれぞれ制御でき、シンプルな構造で信頼性の高いリニア誘導モータを提供するべく、円筒の中空部を有する二次側導体と、前記二次側導体の中空部にギャップを保持して配置された円柱状の電機子鉄心と、前記電機子鉄心に複数のコイル群を螺旋状に巻回した２組の巻線群とを備え、前記２組の巻線群を互いに交差するように巻回配置し、この巻線群に流す電流の大きさと周波数を調整し、回転駆動と直進駆動を制御することが提案されている。

また特許文献２（ＷＯ２００２／０８９１５７号公報）では、コンパクトでありながら、微細な導体パターンを有し、巻き数をほぼ任意に設定でき、大きなインダクタンスを与える新規構造の多層コイルとして、基板平面と垂直方向に回路面を持つコイルが複数層螺旋状に形成されている多層コイルが提案されている。

そして特許文献３（特開平９−１０１３８４号公報）では、、ソレノイド・コイルの巻軸方向に螺旋コイルの内一部分に磁性体を挿入し、このソレノイド・コイル状を更に、二重螺旋コイルとして巻回して安定二重コイルを形成することが提案されている。

更に特許文献４（特開平１１−３４２２１１号公報）では、二重螺旋コイルによる電界放電治療器が提案されている。この文献では、二重螺旋コイルによる電界放電する軸方向を疼痛や神経痛等、或いは、他の症状の患部に高周波電界（電場＋・−）を放出して治療する方法と、二重螺旋コイルによる電界放電の電磁波障害、或いは、治療者の長期治療に安全確保のシールド・カバーを取り付けたシステムが提案されている。

特開２００４−３２０９３４号公報 ＷＯ２００２／０８９１５７号公報 特開平９−１０１３８４号公報 特開平１１−３４２２１１号公報

従前においても、特定の用途に使用される機器の機能を高める為に、使用されるコイルの巻き方について種々の工夫がなされている。
特に前記特許文献３では、超高温核融合炉用プラズマを安定的に磁気で閉じ込めるために、螺旋コイルを更に二重螺旋コイルとして巻回す事が提案されており、また特許文献４では患者及び治療行為する人達がオゾンガスＯ３を吸引しないようにオゾンガスの発生を抑制又は消去するため、コイル状に電線を巻き、更にこれをもう一度二重コイル状に巻くことが提案されている。

しかしながら、この特許文献３および４で提案されているのは、極めて限られた用途についての検討がなされているだけであり、その他の作用・効果、および構成については何ら検討されていないのが実情である。

よって本発明では、これまでにないコイルの巻き方を提供すると共に、当該新規な巻き方をしたコイルを用いて構成したモーター、発電機、その他の電気機械器具を提供することを第一の課題とする。

また従来提供されている弦巻バネは、バネ鋼を端に螺旋状に巻いたものであり、その伸縮に際しては、線材であるバネ鋼に対して少なからずの金属疲労が生じて破損してしまうこともあった。

そこで本発明では、弦巻バネにおける伸縮動作においても、金属線材自体の捩じれを可能な限り吸収し、使用耐久性を向上させた弦巻バネを提供することを第二の課題とする。

そして従前においては、コイルの巻き方の改良は、専ら電気または磁気などのコイルとして場合の特性を向上させることを念頭に行われているが、これに形態に基づく効果を付与することについては、一切検討されていないのが実情である。
よって本発明では、更にコイルの巻き方を改良し、電磁的な効果を利用した上で、形態に基づく効果を発現することのできるコイルを提供することを、第三の課題とする。

上記課題を解決するべく、本発明では電気導線をスパイラル状に巻いて形成したスパイラル線を、更に、当該スパイラル線の巻回方向と同じ向きにスパイラル状に巻いて形成して成る電気導線の巻回し構造を提供する。

また本発明では、上記課題を解決するべく、電気導線をスパイラル状に巻いて形成したスパイラル線を、更に、当該スパイラル線の巻回方向とは逆向きにスパイラル状に巻いて形成して成る電気導線の巻回し構造を提供する。

また本発明では、前記課題を解決するべく、電気導線を第一の中心径でスパイラル状に巻いて形成したスパイラル線を、更に、第二の中心径でスパイラル状に巻いて形成して成り、当該第一の中心径は、第二の中心径よりも小さい電気導線の巻回し構造を提供する。かかる構成において、第二の中心径は、第一の中心径の１．５倍以上、望ましくは３倍以上、更に望ましくは１０倍以上に形成される。

かかる巻回し構造に形成される導線の素材、線径などは、特に制限されるものではなく、使用される用途および必要とされる機能に応じて適宜選択されれば良い。また、導線は、その外周が樹脂その他の絶縁材料で被覆する等の絶縁処理が施されているものが使用される。

また、上記巻き回し構造において、導線をスパイラル状に巻いたスパイラル線の中心に導体を通し、導体を内装したスパイラル線を更にスパイラル状に巻いても良い。更にスパイラル線を螺旋状に巻いた螺旋構造の中心に導体を貫通させても良い。

以上のような巻回し構造を有する電気導線においては、導線をスパイラル状に巻いたスパイラル線の中心を磁力線が通り、これが螺旋状に巻かれていることから、全体としてみると、当該導線の周りには此れまでに無い磁界および／または電界が生じることになる。これにより、当該導線を用いたモーター、発電機、トランス、誘導電動機においては、新規な特性を発揮することができる。更にこれらの部品を用いて形成した機械器具、例えば自動車、洗濯機、冷蔵庫、テレビ等の他、コンピュータを始めとする電子機械器具、および電子顕微鏡、デジタルカメラ等の光学機械器具においても、電界および／または磁界の影響を受けて、動作効率の向上や、新たな効果を期待することができる。

なお、この様な構造を具備する電気導線を各部品や各機器に適用する際には、夫々の用途に応じてスパイラル線に構成する導線の巻き数や巻き径、更にスパイラル線を螺旋状に巻く時の巻き数や巻き径が適宜調整されることが望ましい。

更に、上記のように導線を螺旋状に巻いたスパイラル線を二本用意し、これをＤＮＡの二重螺旋構造と同じように組み合わせることもできる。

そして本発明では、スパイラル線を螺旋状に巻いたものを、更に螺旋状に巻いて使用することもできる。即ち、螺旋構造体を更に２回以上螺旋構造に形成した電気導線乃至は金属線とすることができる。

以上のように構成された本発明の巻回し構造に形成された電気導線では、此れに電気を通した場合には、その周囲に複雑な電界および／または磁界が発生する。一方、この電気導線を磁束が変動する環境下に存在させた場合には、電磁誘導により当該電気導線に電位差（電圧）が生じ、誘導電流が発生する。このとき、当該電気導線を用いた回路に発生する起電力は、起電力によって回路を流れる電流が起こす磁束が、与えられた磁束変化に逆らうような方向で発生することになる。

更に、スパイラル線材を螺旋状に巻いたものに強い電流を流すと、強力な磁場が発生する。そこでこの上に電気を通しやすい鉄、ステンレス等の金属を置けば、電磁誘導により渦電流が発生し、抵抗により金属が発熱することになる（所謂「電磁誘導加熱 （ＩＨ， ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ）」）。そして本発明に係る方法により巻き回した電気導線では、複雑な磁界が発生することから、この電磁誘導加熱においても効率的あるいは新規な効果を発現させることができる。よって、本発明に係る方法で巻いた電気導線は、電磁調理器を始めとする各種の電化製品でも使用することができる。

また、本発明では、電機導線に限らず、バネ鋼等の金属線材を用いて形成することもできる。即ち、金属線材を螺旋状にまいて形成したスパイラル線を、更に螺旋状に巻いた金属線材である。

このように巻いて形成された金属線材は、例えばバネなどの機械部品として使用することができる。特にバネとして利用した場合、従来のバネのように金属線を螺旋状に巻いただけでは、その伸縮に際して金属線に対して捩れの力が作用してしまい、これにより金属疲労、金属破断などの問題が生じる。此れに対して、本発明に係る構造の金属線材では、伸縮に際して発生する金属線材の捩れが螺旋構造によって吸収されることから、使用耐久性等を大幅に向上させることができる。

更に本発明においては、電気導線を螺旋状に巻いてスパイラル線を形成し、これを螺旋状に巻いた弾性部材を提供する、即ち、スパイラル線材を螺旋状に巻いた導線に通電を行うと螺旋状の磁力線が発生することが考えられる。この場合、螺旋状に巻かれたスパイラル線では、その前後方向で異なる磁界となり、通電時において両者は引き合うことが考えられる。そして螺旋状に巻いたスパイラル線は金属に由来する弾性を有することから、スパイラル線に対する通電の有無、およびスパイラル線材の巻数や供給する電気量を調整することにより、通電の有無により伸縮自在であって、かつスパイラル線材の巻数や供給する電気量により伸縮幅を任意に調整することのできるバネを提供することができる。
かかるバネは電気導線における電磁特性を利用しながらも、更に任意に伸縮可能といった形態状の特徴を発現させることのできるバネが実現する。

上記本発明に係る構造的な特徴を具備する電気導線によれば、此れまでに無い磁界および／または電界を生じさせることができることから、これを用いた部品および機器の性能を向上させることができ、更に此れまでに無い効果を得ることができる。

実施の形態にかかる電気導線の一部を示す斜視図 螺旋状金属導線の電気及び磁気特性を示す略図 螺旋状金属導線の構成を示す略図 他の実施の形態に係る螺旋状金属導線を示す略図 更に他の実施の形態に係る螺旋状金属導線を示す略図 実施の形態に係る螺旋状金属導線を用いたモーターを示す要部分解図 実施の形態に係る螺旋状金属導線を用いた発電機を示す略図 実施の形態に係る螺旋状金属導線を用いたトランスを示す分解図

以下、図面に基づいて本実施の形態に係る電気導線７０を具体的に示す。図１はこの実施の形態にかかる電気導線７０の一部を示す斜視図であり、この図からも明らかなように、本実施の形態に係る電気導線７０は、導線５０を螺旋状に巻いてスパイラル線６０とし、これを更に螺旋状に巻いて形成している。この様に形成された導線５０に対しては、何れか一端部から他端部に向けて電気を通して使用されるものであり、供給される電気は直流であっても交流であっても良い。

図２は、導線５０を螺旋状に巻いて形成したスパイラル線６０に電流を通したときの電界を図示している。この図に示すように、導線５０に対して電流を流した場合（電流の向きを図２中に鎖線矢印で示す）には、アンベールの法則（所謂、右手の法則又は右ねじの法則）に従い、スパイラル線６０の内外に磁場が発生する。特に螺旋状に巻かれた導線５０（即ちスパイラル線６０）の中には、Ｓ極からＮ極に向かう磁力線（図２中に実線矢印で示す。）が発生する。

そしてこの様な磁力線が発生するスパイラル線６０は、本実施の形態では前記図１に示した様に螺旋状に巻かれていることから、この磁力線は螺旋状に巻かれたスパイラル線６０の中を通って螺旋状の磁場を形成するものと考えられる。これにより、此れまでの螺旋状に巻かれた導線５０には無い磁界、電界が形成され、これら部品の性能が改善され、更に此れまでに無い新たな効果も発現させることができる。

また図３に示すように、上記の実施の形態に示した形状に形成された導線５０では、その電界や磁界の強さ及び／又は向きを調整する為に、導線５０を螺旋状に巻いて形成したスパイラル線６０の巻き径Ａや巻き数を調整したり、或いは螺旋状に巻いたスパイラル線６０の巻き径Ｂや巻き数を調整することが望ましい。これらの調整は当該導線５０に要求される特性に応じて、適宜調整することができる。

更に、上記のように螺旋状のスパイラル線６０を螺旋状に巻いて形成される導線５０では、スパイラル線６０の中に磁性又は導電性を有する線材５５を挿通して使用することもできる。特に、螺旋状に巻いた導線５０の中を通る線材５５に対しては、更に電流を通してもよく、これにより当該中を通る線材からも電界および磁界が発生し、これがスパイラル線６０から発生する電界および磁界と相互に関連し合った効果を奏することができる。

また、磁性又は導電性を有する線材６５は、螺旋状に巻いた導線５０の中を通す他、図５に示すように、更に螺旋状に巻いたスパイラル線６０の中心を通すこともできる。そして螺旋状に巻いたスパイラル線６０の中心を通る線材６５に対しては、更に電気を通すこともできる。螺旋状に巻いたスパイラル線６０の中心を通る線材に電流を通した場合には、当該線材からも電界および磁界が発生し、これがスパイラル線６０から発生する電界および磁界と相互に関連し合った効果を奏することができる。

そして上記のような構造に形成された導線５０は、更に此れを用いてモーターや発電機などの部品を形成することができる。

図６は上記した構造の導線５０を用いたモータの全体を上半分断面図で示している。この図に示すモーター１０は、金属材料により有底中空筒状に形成されたケース２の内周面に、マグネット１が取り付けられている。このケース２の開口部は、ケース蓋５が嵌着されてそれによって閉じられている。ケース蓋５の中央部には、シャフト７のための軸受け６が収容される。シャフト７の他端は、有底中空筒状のケース２の底部中央に設けられた軸受け３によって支持されている。

このシャフト７には、積層コア８と、該積層コア８上に巻いた巻線９と、整流子１２とが備えられて、このモーター１０の回転子を構成している。そして、この整流子１２に接触するブラシは、エンドベル４に支持されると共に、ブラシに接続された入力端子１１が電気的接続のためにケース蓋５を貫通して外部に突出している。特に、この巻線９は、上記のようにスパイラル線６０を螺旋状に巻いたものが使用されている。この様に形成されたモータでは、巻線９の巻き方が此れまでに無い構成を有することから、モーター本来の性能が改善されるのみならず、新たな効果が得られることになる。

また、図７は上記した構造の導線５０を用いた発電機２０を示す斜視図であり、特に三相同期発電機とした例を示している。この発電機は、図７に示すように、磁束を通しやすい材料（軟鋼板など）を使った回転体の表面に、絶縁された導体（電機巻線）を配置する回転子２４、周囲には固定された磁石（磁界を作る界磁巻線２１と磁束を流す界磁鉄心）である固定子２３が設けられる。発生する起電力の方向は導体の位置が上側と下側は逆になるので、そのまま引き出すと交流になってしまう。このため、導体の引出し口に整流子を置いて、ブラシを通して左側がプラス、右側がマイナス一定になるようにして直流を引き出す。この図に示す三相同期発電機では、ａ相、ｂ相、ｃ相の三つの相があり、ａ相を基準にｂ相が１２０°、ｃ相が２４０°遅れの正弦波交流で構成されている。したがって電気を発生させる電気子巻線２２は相ごとに角度を１２０°ずらしてａ相ａ―ａ’、ｂ相ｂ―ｂ’，ｃ相ｃ−ｃ’のように相別に構成されている。この様に構成された発電機において、電気巻線２２および界磁巻線２１の少なくとも何れかの線の構成として、上記したように螺旋状に巻いたものを、更に螺旋状に巻いて形成することができる。

そして図８は上記した構造の導線５０を用いたトランスを示す分解図である。この図に示すトランス３０は、筒状のボビンの巻線部は隔壁にて分割されており、１次側巻線３１及び２次側巻線３２が巻装されている。巻線はボビンに設けられたリード端子３３にからげ接続されている。また、磁心としては、２分割されたＥ−Ｅ型のフェライトコア３５が用いられ、ボビンの巻線部にコア部分が挿入され巻線を囲むようにしてトランス３４を構成している。かかるトランスの構成においても、本発明に係る新規な構造を有する導線５０は、１次側巻線３１及び２次側巻線３２の少なくとも何れかに採用することができる。即ち、螺旋状に巻いた導線５０を筒状のボビンに螺旋状に巻くことができる。

その他にも、本発明に係る新規な構造を有する導線５０は、各種の電子部品、電気部品に使用されている巻き線として使用することができ、その用途を問わず使用することができる。

１０ モーター
２０ 発電機
３０ トランス
５０ 導線
６０ スパイラル線
７０ 電気導線

Claims (4)

1. 電気導線をスパイラル状に巻いて形成したスパイラル線を、更に、当該スパイラル線の巻回方向と同じ向きにスパイラル状に巻いて形成して成ることを特徴とする、電気導線の巻回し構造。
2. 電気導線をスパイラル状に巻いて形成したスパイラル線を、更に、当該スパイラル線の巻回方向とは逆向きにスパイラル状に巻いて形成して成ることを特徴とする、電気導線の巻回し構造。
3. 電気導線を第一の中心径でスパイラル状に巻いて形成したスパイラル線を、更に、第二の中心径でスパイラル状に巻いて形成して成り、
   当該第一の中心径は、第二の中心径よりも小さいことを特徴とする、電気導線の巻回し構造。
4. 巻き回した導線を具備する、モーター及び発電機を含む電気機械器具であって、
   当該導線が、前記請求項１〜３の何れか一項記載の巻回し構造に形成されていることを特徴とする電気機械器具。