JP2011253922A - 整列多層巻きコイル及びそれを用いた電気磁気エネルギ−変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い導体密度を確保しつつ軸方向寸法を小さく設定できる効率の良い低価格な整列多層巻きコイル、並びにこれを用いた電気磁気エネルギ−変換器を提供する。
【解決手段】 整列多層巻きコイルを、図１の通り、外径ｄの絶縁電線を整列多層巻きしてなるコイルであって、コイルの各段内において隣り合う線材中心間のコイル軸方向距離が√３×ｄであり、それら線材は１つ隔たった段の線材とコイル軸に直角の方向で重なって密接し、かつ隣接する段の線材が d／2 の段差をもって千鳥状に密接している構成とする。これにより、各列の線材１がその各列毎に上下に重なった状態で密接する共に、各列の上下層の線材によって形成される谷部に隣接列の線材が密に嵌まり込んで軸方向に重なった状態となるので、線材密度が高くて軸方向寸法を小さくできる整列多層巻きコイルが実現され、これを用いることによって高性能の電気磁気エネルギ−変換器を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モ−タ−，トランス，インバ−タ−，リアクトル，チョ−クコイル等のインダクタに用いられるところの、軸方向寸法（軸方向距離）を小さく設定することができる整列多層巻きコイルと、それを用いた電気磁気エネルギ−変換器に関するものである。

モ−タ−，トランス，インバ−タ−，リアクトル，チョ−クコイル等に適用されるインダクタは電磁気回路の中で電気エネルギ−と磁気エネルギ−との変換機能を果たす基本素子であり、一般的には磁性体製コアの周りに絶縁電線をコイル状に巻回した構成が採られる。
このインダクタ用コイルのエネルギ−量はコイルを流れる電流とコイルの巻回数との積で表すことができ、コイルの効率はコイルの有効容積に占める導体密度が高いほど良いとされている。
そこで、コイルの導体密度を上げる手法として、従来、例えば特許文献１に示されているような整列多層巻きにより絶縁電線を巻回することが行われていた。

この整列多層巻きは、まずコイル巻枠の軸に絶縁電線コイルの１層目を隣り合う線材同士が密に接するように巻回し、続いてその上に同じく隣り合う線材同士が密に接するように次の層を巻回して行き、これを順次繰り返してコイルとする手法であるが、近年ではコイルの導体密度を高めるために特許文献１の「図２」に示されるような整列多層巻きの手法を採用するのが一般的である。

因みに、図３は、特許文献１の「図２」が示す整列多層巻きにより作製されたコイルの説明図であって、まず巻枠11の軸部12に絶縁電線コイルの１層目13を隣り合う線同士が密に接するように巻回し、続いてこの１層目に巻回された絶縁電線の隣り合う線材の接触部に形成された谷部に嵌合して接触するように２層目14の巻回を行い（即ち２層目を俵積み状態に巻回し）、３層目以降も２層目の巻回の場合と同様に絶縁電線を俵積み状態に巻回して作製されたコイルの断面を示している。なお、この図３において符号15は巻枠のフランジ部を示す。
この整列多層巻きコイルは、コイルの下層における“密に隣接した線列の谷部”に上層の線材が密に嵌まり込んで積層された状態（俵を積んだ状態）の密着整列巻きコイルとなっているので導体密度が非常に高く、良好なコイル効率を示すものであった。

その上、上記密着整列多層巻きコイルは、下層の線材が形成する線列の谷部に上層の線材が嵌まり込んで積層されるのでコイル外径の小径化に資するものであり、銅損の抑制にも有利であった。
即ち、インダクタでは、コイルの電気抵抗によって失われる電気エネルギ−を銅損、コアを磁化するときに失われる電気エネルギ−を鉄損と称しているが、コイル外径が小さいということは電流の周回距離が短くなることを意味し、そのためコイル外径の小径化は銅損の減少につながることになる。

しかし、一方で、コイルの軸方向寸法（軸方向距離）を小さくするほど磁気回路が短くなって磁気抵抗が小さくなり、鉄損が減少するという利点が得られる。
そのため、近年、インダクタ用コイルではコイルの軸方向寸法を小さくすることが強く望まれているが、高い導体密度を確保しつつ前記密着整列多層巻きコイルよりも軸方向寸法を小さくした効率の良い低価格なインダクタ用コイルは未だ実現されていないのが現状である。

特開平１０−２５６０５４号公報

前述した事情に鑑み本発明が課題としたのは、インダクタ用として好適な、高い導体密度を確保しつつ軸方向寸法を小さく設定することができる鉄損の小さい整列多層巻きコイル、並びにそれを用いた電気磁気エネルギ−変換器を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために従来の密着整列多層巻きコイルに認められる高い導体密度を維持しつつその軸方向寸法を小さくする手立てを求め、まず導体密度の高いコイルの製造に欠くことができないと考えられた前記“密着整列多層巻きコイルの製造手法”を応用できる手段について種々検討を行ったが、この従来手法に潜在する次の障害を克服することができなかった。
即ち、従来の密着整列多層巻きコイルの製造手法では、高い導体密度の確保とコイルの巻き崩れ防止の観点から各層の絶縁電線巻回は隣り合う線材同士が密に接触するように、また上下の層の間では巻回線材が互いの谷部に嵌まり合うように重ねて巻回しなければならないが、そのため各層の隣接線材が互いに干渉し合い、各層が軸方向にｎ列巻回されたコイルでは図４に示すように絶縁電線の外径をｄとするとコイルの軸方向寸法を「（ｄ×ｎ）＋ d／2 」より小さくすることができない。
なお、図４において、符号12は巻枠の軸部を、符号15は巻枠のフランジ部を、そして符号16は線材を示している。

そこで、この障害を打破する手立てについて模索を開始したが、その過程でこれまでに報告例のない次の考えを持つに至った。
つまり、「整列巻コイル」は軸方向に巻回される絶縁電線の“列（コイル軸方向に並んだ線材の列）”と“段（コイル軸と直角方向に数えられる線材の層）”によって構成されるが、このような整列巻コイルにおいて、図１に示す如く、コイルを構成する線材１がその各“列”毎にコイル軸と直角方向（線材の上下方向）に重なった状態で密接する共に、隣接する列がコイル軸と直角方向に d／2 の段差（ｄは絶縁電線の外径）をもって互いに接することにより各列の上下の線材によって形成される谷部に隣接列の線材が密に嵌まり込んで軸方向に重なった状態となるように絶縁電線を巻回することができれば、外径ｄの絶縁電線がコイル軸方向へ千鳥状に密に並ぶ状態となり、列の数がｎであるコイルではその軸方向の寸法が「 d／2 ＋√３× d／2 ×（ｎ−１）＋ d／2 ＝ 0.866ｄ（ｎ−１）＋ｄ」となって、図４に示したような“従来の整列多層巻きコイルの製造手法”によって得られる密着整列多層巻きコイルよりも軸方向が小さい整列多層巻きコイルが得られる上、前記密着整列多層巻きコイルと同等の高い導体密度を確保することができる。
なお、図１において、符号２は巻枠の軸部を、そして符号３は巻枠のフランジ部を示している。

しかしながら、上記図１に示したような形態の多層巻きコイルを工業生産できる手法は全く未知であった。
そのため、本発明者は、工業生産が困難であると考えられた図１に示す多層巻きコイルの実現手段を求めて更に検討を重ねた結果、巻枠を用いて整列多層巻きコイルを巻回する際、線材をコイル軸方向へ密着巻きするよりも或る間隔を設けて巻いた方が最終的には軸方向の巻回密度を増すことができるという思いがけない事実を見付け出すに至った。

即ち、常法通りに絶縁電線を巻枠に巻回して多層巻きコイルを製造する際、図２に示すような「コイルを巻回する巻枠の軸部面に“巻回する絶縁電線の外径ｄよりも大きい所定の間隔（図１にも示した“√３× d／2 ＋√３× d／2 ＝√３×ｄ”の間隔）で溝４を設けた巻枠５」を用い、この溝４にガイドさせてコイルの第１段目（最も内側の部位）を巻回し、続く第２段目の巻回を“前記第１段目の線材の隣同士が形成する隙間の部分（谷の部分）”に嵌合するようにして行い、更にその次の段もその前の巻回済の段における線材の谷の部分に嵌合するように巻回して行けば、前記図１に示したような形態の多層巻きコイルを高効率で的確に実現できることを見出した。

本発明は上記知見事項等を基に完成されたものであり、整列多層巻きコイル並びに電気磁気エネルギ−変換器を次の構成とした点に特徴を有している。
1） 図１に示すように、外径ｄの絶縁電線を整列多層巻きしてなるコイルであって、コイルの各段内において隣り合う線材が線材中心間のコイル軸方向距離で√３×ｄの間隔を有していると共に、それら線材は１つ隔たった段の線材とコイル軸に直角の方向で重なって密接しており、かつ隣接する段の線材が d／2 の段差をもって互いに千鳥状に密接していることを特徴とする整列多層巻きコイル。
2） 前記 1）項に記載の整列多層巻きコイルを組み込んでなることを特徴とする電気磁気エネルギ−変換器。

本発明によれば、高い導体密度を有した軸方向寸法が小さい整列多層巻きコイルを実現することができ、またこれを用いることによって高性能の各種電気磁気エネルギ−変換器を提供することができる。
即ち、上記コイルでは、従来の密着整列多層巻きコイルに比べ、巻数が同じであれば径方向の寸法（外径）は多少大きくなるものの軸方向の寸法が小さくなるので磁気回路の磁路長を短くすることができて鉄損が小さくなり、磁気回路にとって非常に有利な効果がもたらされる。
また、コイルの軸方向寸法が同じである条件では、本発明に係る整列多層巻きコイルは従来の密着整列多層巻きコイルに比べコイルの巻数を大きくすることができる。そして、インダクタのインダクタンスはコイルの巻数の二乗に比例するので、コイルの外径が従来の密着整列多層巻きコイルに比べて多少大きくなって銅損が増す損失よりも有効成分の増加の方が大きくなる。

従って、本発明に係る整列多層巻きコイルを適用することにより有効成分と有害成分の比（ＳＮ比）の大きいインダクタ−を提供することが可能となる。例えば、コイル軸方向に生じた寸法的余裕は、線材巻数の増加による磁気特性の向上、コイル軸方向寸法を短くできることによる機器の小型化、あるいは太径の線材を使用できることによる銅損の減少をもたらし、インダクタ−の性能限界を拡大することができる。
そして、上記説明から分かるように、本発明に係る整列多層巻きコイルは、これを組み込むことによりモ−タ−，トランス，リアクトル，インバ−タ−，チョ−クコイル等といった各種の電気磁気エネルギ−変換器の性能向上に大きく寄与する。

図１は、本発明に係る整列多層巻きコイルの説明図である。 図２は、本発明に係る整列多層巻きコイルの製造手法を説明した概要図である。 図３は、特許文献１に掲載されている“整列多層巻きにより作製されたコイル”の説明図である。 図４は、従来の密着整列多層巻きコイルの説明図である。

前述したように図１は本発明に係る整列多層巻きコイルの説明図であるが、この外径ｄの絶縁電線を整列多層巻きしてなるコイルは、コイルの各段内において隣合う線材（即ちコイル軸と平行方向に隣り合う線材）の間隔が線材中心間のコイル軸方向距離で√３×ｄとなっている。そして、それらの線材は、１つ隔たった段の線材（例えば第１段と第３段のように隔たった段の線材）とコイル軸に直角の方向で重なって密接している。しかも、隣接する段の線材（例えば第１段と第２段の線材）が d／2 の段差をもって互いに千鳥状に密接した構造となっている。
このように、本発明に係る整列多層巻きコイルでは、隣接線材同士が隙間が最小となる状態で密に嵌まり込んだ形態となっているので極めて高い線材密度が確保される。
しかも、本発明に係る整列多層巻きコイルは外径ｄの線材がコイル軸方向へ千鳥状に密に並んだ状態であるので、列の数がｎであるコイルでは軸方向の寸法が「 d／2 ＋√３× d／2 ×（ｎ−１）＋ d／2 ＝ 0.866ｄ（ｎ−１）＋ｄ」となり、従来の密着整列多層巻きコイルに比べて巻数が同じであれば軸方向の寸法を小さく設定することができる。
勿論、コイルの軸方向寸法が同じであることが許容されるのであれば本発明に係る整列多層巻きコイルは従来の密着整列多層巻きコイルに比べてコイルの巻数を大きくすることができ、コイルのエネルギ−量を増すことができる。

なお、この本発明に係る整列多層巻きコイルは、先に図２をもって説明したように、コイルを巻回する巻枠５の軸部面に√３×ｄの間隔（ｄは絶縁電線の外径）でガイド溝４を設けておいて（図２では、ガイド溝４として幅がｄで深さが d／2 の角溝を設けた例を示している）、コイルの第１段を線材１がこのガイド溝４にガイドされるように巻回し、続く第２段の巻回を第１段の線材の隣同士が形成する谷の部分に嵌合するようにして行うという操作を繰り返すことによって容易に製作することができる。
因みに、このようにして製作されたコイルでは巻回された各段の線材（絶縁電線）は１列毎に凹凸状態となり、そのため外表面が線材外径単位の凹凸を呈したコイルとなるが、これによる格別な不都合はない。

上述の通り、本発明によると、導体密度が高い上に軸方向寸法が小さくて鉄損の小さいインダクタ用として好適な整列多層巻きコイルを提供することができ、モ−タ−，トランス，インバ−タ−，リアクトル，チョ−クコイル等といった各種の電気磁気エネルギ−変換器の小型化，性能向上につながるなど、産業上有用な効果がもたらされる。

１，16 線材
２，12 巻枠の軸部
３，15 巻枠のフランジ部
４ 溝
５，11 巻枠 13 従来の絶縁電線コイルの１層目
14 従来の絶縁電線コイルの２層目

Claims (2)

1. 外径ｄの絶縁電線を整列多層巻きしてなるコイルであって、コイルの各段内において隣り合う線材が線材中心間のコイル軸方向距離で√３×ｄの間隔を有していると共に、それら線材は１つ隔たった段の線材とコイル軸に直角の方向で重なって密接しており、かつ隣接する段の線材が d／2 の段差をもって互いに千鳥状に密接していることを特徴とする整列多層巻きコイル。
2. 請求項１に記載の整列多層巻きコイルを組み込んでなることを特徴とする電気磁気エネルギ−変換器。

Images