JP2013168568A - 四角形状コイルの製造方法とコイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コアとの隙間が小さく加工による膨らみのない四角形状コイルを製造し、コイル装置の電気的特性の向上と小型化を図る。
【解決手段】一定厚の直線状平角銅線２１をコイル長さ分用意し、四角形断面のコア３の角部に対応する部位を、予め１／２以下の厚さに加工して薄肉部２２とする。平角銅線２１を、薄肉部２２を斜めに横切る仮想折線２６に沿って折り曲げて、衝合面が密着する折り曲げ部２４を形成することを繰り返し、内周側に直角部２３を有する角筒コイル形状に巻回して四角形状コイル２とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、車載装置用のリアクトルコイル、トロイダルコイル等のコイル装置に使用することができる四角形状コイルの製造方法とコイル装置に関する。

リアクトルコイル、トロイダルコイル等のコイル装置は、一般に、棒状あるいはＥ字型、鼓型といった形状のコア（鉄心）にコイルを巻き付けることで形成されている。図１６（ａ）は、例えば、車載インバータ用の昇圧回路に用いられるリアクトルコイル１００の構成例であり、略円筒形状のコイル１０１とブロック状のコア１０２からなる。コイル１０１は、扁平な平角銅線をエッジワイズ巻線により成形したもので、その両側から断面Ｅ字形状の一対のコア材を装着することにより組み付けがなされる。

ここで、一般的な円筒コイルの成形方法では、公知の三点ローラによる押し出しやベンディングといった工法にてＲ曲げを行っている。また、他の工法により成形されたコイルとして、特許文献１には、平板円弧状または多角形状とした複数の導体を上下に積層し、層間を連結材で連結して、螺旋状の導体コイルとした電気・電子機器用コイルが開示されている。複数の導体と連結材は、金属板のプレスまたはエッチング加工によって、複数の導体の端部同士が連なった一体の導電板から形成され、連結材となる各導体の端部を交互に折り曲げてコイル状に加工される。

特開２００３−９２２１８号公報

従来のエッジワイズ巻線によるコイル１０１は、内側にＲがつく円筒形状であるために、組み付け後にコア１０２との間に隙間Ｇが生じる。このため、損失が発生するだけでなく、外形が大きくなる問題がある。また、線材のＲ曲げによる加工では、図１６（ｂ）に示すように、コイル１０１の内周側が膨らみ外周側が引き伸ばされる。すなわち、成形されたコイル１０１の板厚が内側で厚く外側で薄くなり、積層厚さが増加することも小型化の妨げとなる。

特許文献１の工法では、導電板の加工時にＲ曲げを行わないので板厚差は生じない。しかしながら、金属板から複数の導体同士が連なった形状の導電板を形成し、さらに導電板を折り曲げてコイル形状に加工する必要がある。このため、導電板の加工に手間がかかるだけでなく、歩留まりが悪く材料コストが増大する。

そこで、本願発明は、コアとの隙間を小さくし、加工による膨らみをなくして、損失が小さい省スペースの四角形状コイルを製造する方法を確立し、それを用いたコイル装置を実現して、電気的特性の向上と小型化を図ることを目的とするものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、四角形断面のコア周りに装着される四角形状コイルを製造する方法であり、
一定厚の直線状平角線材を、コイル形状に相当する所定長用意する工程と、
上記平角線材の上記コアの角部に対応する部位を、予め１／２以下の厚さに加工して薄肉部とする工程と、
上記薄肉部を斜めに横切る仮想折線に沿って折り曲げ、衝合面が密着する折り曲げ部を形成する工程と、
該工程を繰り返して、内周側に略直角部を有し、上記コアの外周形状に沿う角筒コイル形状に巻回する工程と、を備える。

本発明の請求項２に記載の発明は、一定厚の導電板材から、四角形状コイルの１辺以上に相当する形状の複数の平角線片を形成する工程と、
上記複数の平角線片の端部間を接合する工程と、
該工程を繰り返して、内周側に略直角部を有し、上記コアの外周形状に沿う角筒コイル形状に一体化する工程と、を備える方法である。

本発明の請求項３に記載の発明は、
直線状の平角線材を、コイル形状に相当する所定長用意する工程と、
上記平角線材の上記コアの角部に対応する部位を、押さえ治具で板厚方向の膨らみを規制しながら曲げ加工する工程と、
該工程を繰り返して、内周側に略直角部を有し、上記コアの外周形状に沿う角筒コイル形状に巻回する工程と、を備える方法である。

本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法で製造された四角形状コイルの外表面に絶縁層を形成し、四角形断面のコア周りに装着してコイル装置とする。

本発明の方法によって製造された四角形状コイルは、略直角部を有するため従来工法と比べてコアとの間に隙間が小さく、また加工時に膨らみ等が生じないので積層厚が大きくなることがない。また、コイル長の不要分による抵抗増や材料ロスが小さい。したがって、この四角形状コイルを用いることで、小型で省スペースであり、損失が小さい高性能なコイル装置を容易に実現できる。

本発明の第１実施形態における四角形状コイルを用いたリアクトルコイルの製造工程を模式的に示す上面視図である。 本発明の第１実施形態における四角形状コイルを用いたリアクトルコイルの製造工程を模式的に示す側面視図である。 （ａ）は本発明を適用したリアクトルコイルの全体斜視図、（ｂ）はその分解図である。 （ａ）は第１実施形態における四角形状コイルの構成を示す斜視図、（ｂ）はコアの構成を示す斜視図である。 第１実施形態における四角形状コイルの製造工程を説明するための部分拡大斜視図である。 第１実施形態における四角形状コイルの製造工程を説明するための模式的な図である。 本発明の効果を説明するための図で、（ａ）は本発明を適用したリアクトルコイルの模式図、（ｂ）は従来のリアクトルコイルの模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したリアクトルコイルの効果を、従来のリアクトルコイルと比較して説明するための模式的な図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の第２実施形態における四角形状コイルを用いたリアクトルコイルの製造工程を模式的に示す上面視図および側面視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２実施形態における四角形状コイルにおける接合部形状例を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２実施形態における四角形状コイルを構成する平角線片の最小単位形状例を模式的に示す図である。 本発明の第３実施形態における四角形状コイルを用いたリアクトルコイルの製造工程を模式的に示す上面視図である。 本発明の第２実施形態における四角形状コイルの製造工程を説明するための模式的な図である。 （ａ）は本発明を適用したコイル装置の他の例を示す図、（ｂ）は従来のコイル装置形状を示す図である。 （ａ）は本発明を適用したトロイダルコイルの構成を示す図、（ｂ）は従来のトロイダルコイルの構成を示す図である。 （ａ）は従来のリアクトルコイルの構成を示す図、（ｂ）は従来のリアクトルコイルの一部拡大図である。

本発明の第１実施形態を、図１〜６を参照しながら詳細に説明する。図１、２は、本発明を適用したコイル装置であるリアクトルコイル１の製造工程であり、図３（ａ）、（ｂ）に製品形状を示す。リアクトルコイル１は、図４（ａ）、（ｂ）に示す四角形状コイル２とコア３により構成される。コア３は、全体が概略矩形のブロック状で、四角形状コイル２の内外に接する５つの分割片３１〜３５からなる。このうち、中央の角棒状分割片３１は、四角形状コイル２の内側に配置され、残る４つの平板状分割片３２〜３５は、四角形状コイル２の外側を取り巻くように配置され、両端部において接合されて矩形枠３６を構成する。

コア３の製造には、例えば電磁鋼板材、アモルファス磁性材等の汎用の磁性体材料の他、ダストコア（圧粉磁心）をコア材として用いることができる。ダストコアは、鉄系磁性金属粉末に樹脂バインダを混合して加圧成形し、所望のコア形状としたもので、形状の自由度が大きく、鉄損低減に有利である。複数のコア材を組み合わせてコア３を構成することも、もちろんできる。

図４（ａ）において、四角形状コイル２は、一定厚さの扁平な平角線材を、各段が概略四角形状となるようにエッジワイズ巻線したもので、全体が角筒コイル状に成形されている。四角形状コイル２の内周面は、コア３中央の分割片３１の外周面に沿う四角形状となっており、分割片３１の４つの角部３７に対応する略直角部としての直角部２３を有している。四角形状コイル２の両端部は、端子部２５となって、図の上方へ延出されている。

本発明では、四角形状コイル２の筒内にコア３の角棒状分割片３１が嵌挿され、その外側にコア３の矩形枠３６が外挿される。これにより、四角形状コイル２とコア３が近接して配置され、隙間の小さいコンパクトなリアクトルコイル１とすることができる。本実施形態では、このような四角形状コイル２を、直線状の平角線材を折り曲げ成形することにより製作する。この時、四角形状コイル２の各段には、直角部２３を形成するための折り曲げ部２４が形成される。また、四角形状コイル２の外周面は、折り曲げ部２４の位置で面取り状の傾斜面となっており、全体が概略八角形状となっている。

この四角形状コイル２の製造工程を、次に説明する。図１、２に示すように、まず（ア）の工程において、直線状の平角線材として、四角形状コイル２の全長に相当する長さの直線状の平角銅線２１を用意する。次に（イ）の工程において、この直線状の平角銅線２１の所定位置に、薄肉部２２を形成する。薄肉部２２は、コア３の角部３７に対応する折り曲げ部２４を形成するためのもので、折り曲げにより平角銅線２１が重なる四角形状の部位を、削り加工・パンチによるプレス加工等を用いて、板厚の１／２ないしそれ以下の厚みとなるようにする。

具体的には、平角銅線２１を加工する際に、長手方向に所定間隔をおいて、かつ板面の一方の面側または他方の面側が交互に凹陥するように薄肉部２２を形成する。これにより、隣り合う薄肉部２２となる凹陥部の向きが逆となり、次工程における折り曲げ成形時に、常に成形される凹陥部が一定の向きとなるようにしている。

薄肉部２２を形成した平角銅線２１は、（ウ）の工程において、角筒コイル状に折り曲げ成形する。ここで、薄肉部２２を形成した平角銅線２１を、一部拡大して図５に示す。図示するように、薄肉部２２は１／２の板厚となっており、この部分を斜めに横切る線を折り曲げ用の仮想折線２６とし、これに沿って折り曲げ加工することで、直角部２３を形成することができる。このようにして従来困難であった角筒コイル形状に成形できる。ただし、この場合の直角部２３の角度は略直角（９０度前後）であればよく、同様の効果が得られる。

具体的な加工方法の一例として、図６に示すように、折り曲げ用の仮想折線２６に沿って、その上方に直立する薄板４を配置し、薄板４の両側から折り曲げる方法を採用することができる。その際、薄板４を両側から挟みこむように、ある程度折り曲げ、薄板４を抜いてから、さらに残りの部分を対向する両面が密接するまで折り曲げる。このようにして衝合面が密着する折り曲げ部２４を形成し、この工程を繰り返すことで、各層の板厚が一定で、内周側に直角部２３が形成された四角形状コイル２を製作することができる。

（エ）の工程において、成形された四角形状コイル２の外表面に、絶縁処理を施して絶縁層５を形成する。折り曲げ部２４は、これに先立って溶接して一体化することができる。これにより、薄肉部２２の衝合面が密着して一体の導電路を構成し、その後、絶縁処理することで、折り曲げ部２４の外表面のみ絶縁層５が形成される。溶接を行う際は、溶接部を含む折り曲げ部２４の厚みが他の部位と同等となるように、薄肉部２２の厚みや接合方法を設定するとよい。また、絶縁処理としては、含浸絶縁塗層や電着塗装といった公知の方法を採用することができる。なお、折り曲げ部２４を密接させて外表面のみ絶縁塗装可能であれば、必ずしも溶接は必要ない。

次いで、（オ）の工程において、四角形状コイル２にコア３を組み付ける。コア３となる分割片３１〜３５は、四角形状コイル２の筒内にブロック状の分割片３１を挿入した後、分割片３１の挿入端部を閉鎖して四角形状コイル２の外周を取り囲むように、分割片３２〜３５を配置する。これら分割片３２〜３５は、接着剤等で接合されてコア３の矩形枠３６となる。四角形状コイル２は、組み付け前に、必要により固定具等で固定することができる。

図７（ａ）に示すように、このようにして製造されたリアクトルコイル１は、Ｒを有しない四角形状コイル２を使用しているため、コア３との間に隙間が生じない。すなわち、図７（ｂ）に比較して示すように、従来のリアクトルコイル１００において円筒状コイル１０１とコア１０２との隙間Ｇによって生じていた漏洩磁束をなくすことができるので、磁気干渉や電磁両立性の問題を引き起こすおそれが小さい。

さらに、図８（ａ）、（ｂ）に比較して示すように、従来の円筒状コイル１０１を有するリアクトルコイル１００に対して、外形を小さくすることができるだけでなく、従来のＲ曲げ時に生じるような内周側の膨らみがない。そして、折り曲げ部２４は、予め形成した薄肉部２２にて形成されるので、積層方向の板厚の増加がなく、全体をコンパクトにして収容スペースを小さくすることができる。

しかも、コア３の矩形枠３６に収容されるコイル有効部に対して、その外側に突出する不要部を小さくすることができる。そして、不要部分によるコイル長の増加がないので、直流抵抗の増加を抑制することができ、線材コストも低減できる。したがって、小型で高性能なリアクトルコイル１を実現することができる。

図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態であり、四角形状コイル２の構造と製造方法が異なっている。本実施形態においても、四角形状コイル２は、各段が概略四角形状となるようにエッジワイズ巻線された角筒コイルからなるが、コイル全長に相当する直線状の平角線材に代えて、四角形の各辺に対応する複数の平角線片を組み合わせて形成される。コア３の構成は、第１実施形態と同様であり、説明を省略する。

この四角形状コイル２の製造工程を、次に説明する。本実施形態の四角形状コイル２は、複数の平角線片として、四角形の１辺に対応する扁平な短冊形状の銅片２７を用いている。これら複数の銅片２７は、（ア）（イ）の工程において、一定厚の導電板材である銅板６を用意し、この銅板６から、所定形状の銅片２７を切り出し・打ち抜き等を行うことで得られる。ここでは一例として、打ち抜き穴Ｐ１を形成した台座Ｐ２上に銅板６を配置し、打ち抜きパンチＰを用いて、銅片２７を打ち抜く装置を示している。

得られた複数の銅片２７は、（ウ）の工程において、銅片２７の一端縁を他の銅片２７の端部側縁に突き合わせて接合し、導通させる。接合方法としては、母材を溶かして接合するＴｉｇ溶接・抵抗溶接や、融点の低い金属材料を接着剤を用いて接合するろう付け・はんだ付け等を用いることができる。これを順に繰り返して、さらに角筒コイル状に巻回することにより、四角形状コイル２が成形される。

次いで、（エ）の工程において、第１実施形態と同様の方法で、成形された四角形状コイル２の外表面に絶縁層５を形成する。さらに、（オ）の工程において、四角形状コイル２にコア３を組み付けることにより、リアクトルコイル１とする。

ここで、複数の平角線片の接合構造は、図１０（ａ）に示すように、短冊状の銅片２７の端縁を接合部として突き合わせる他、図１０（ｂ）に示すように、その両端部を薄肉部２７ａとして重ね合わせたものでもよい。この場合は、重ね合わせ部を含む長さに銅片２７を切断し、第１実施形態と同様の方法で両端部を１／２以下の板厚にしたものを用意する。そして、薄肉部２７ａを重ね合わせて接合することにより、四角形状コイル２とすることができ、重ね合わせ部の面積が大きいので、接合強度が高まる。

あるいは、図１０（ｃ）に示すように、両端に一対の凸部２７ｂと凹部２７ｃを形成し、凹凸嵌合させることにより、一体化することもできる。この場合の凸部２７ｂと凹部２７ｃの形状は、互いに嵌合させることで一体化可能な形状であればよく、上述した通常の接合方法の他、かしめやショットピーニング等の熱をかけない応力付加による接合方法を採用することもできる。これら方法によって密着度が向上し、連続線と同等の導電性を付与することができる。

さらに、本実施形態では、平角線片を四角形の１辺に対応する短冊形状としたが、図１１（ｃ）に示す短冊形状（直線状）の銅片２７の他、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、２辺に対応するＬ字状の銅片２８、３辺に対応するコ字状の銅片２９とすることができ、これら形状を適宜組み合わせて四角形状コイル２を構成することができる。例えば、図１１（ａ）では、Ｌ字状の銅片２８を２つ組み合わせて、図１１（ｂ）では、コ字状の銅片２９を直線状の銅片２７に組み合わせて四角形状とする。

本実施形態において、四角形状コイル２を構成する平角線片の最小単位は、板材からの打ち抜きによる歩留まりを考慮して決定すればよく、材料ロスが小さい。形成した四角形状コイル２は、同様にしてコア３に隙間なく組付けられ、同様にして小型で高性能なリアクトルコイル１を実現することができる。

図１２、１３は、本発明の第３実施形態であり、四角形状コイル２の構造と製造方法が異なっている。本実施形態においても、四角形状コイル２は、各段が概略四角形状となるようにエッジワイズ巻線された角筒コイルからなり、コイル全長に相当する直線状の平角線材を用いるが、成形方法を変更している。コア３の構成は、第１実施形態と同様であり、説明を省略する。

この四角形状コイル２の製造工程を、次に説明する。まず（ア）の工程において、平角線材として、四角形状コイル２の全長に相当する長さの直線状の平角銅線２１を用意する。次に（イ）の工程において、この直線状の平角銅線２１の所定位置を、せん断を使った曲げ加工により変形させて、コア３の角部３７に対応する直角部２３を形成する。

図１３には、（イ）の工程において、直角部２３の成形に使用する装置例を示しており、直角部を有する固定治具７１に沿って平角銅線２１を配置し、押さえ冶具７２で保持しながら、例えばローラ７３やブロック等を用いてせん断を使った曲げを行う。押さえ冶具７２は、平角銅線２１を挟持して加工時の線材の膨らみを抑える固定部７２ａと、平角銅線２１を挟持しながらローラ７３の移動方向と逆方向にスライドし線材の伸びを抑える可動冶具７２ｂからなる。

これにより、内周側に膨らみを生じることなく、直角部２３（Ｒ＝０）を形成することができる。さらに、外周側においては、ローラによる曲げる際に逃げる肉を薄い部分に寄せるようにして肉厚を調整し、一定厚とすることができる。このせん断曲げを、（ウ）の工程において順に繰り返して角筒コイル状に巻回することで、各層の板厚が一定で、内周側に直角部２３が形成された四角形状コイル２を成形することができる。

次いで、（エ）の工程において、第１実施形態と同様の方法で、成形された四角形状コイル２の外表面に絶縁層５を形成する。さらに、（オ）の工程において、四角形状コイル２にコア３を組み付けることにより、リアクトルコイル１とする。本実施形態によっても、同様に小型で高性能なリアクトルコイル１を実現することができる。なお、直角部２３は、概略直角形状であればよく、内周側にわずかにＲを有する形状であっても、同様の効果が得られる。

図１４、１５は、本発明が適用される他のコイル装置の例であり、図１４（ａ）のように、四角形断面の棒状コア８１を用い、その周りに四角形状コイル２を装着したコイル装置としてもよい。この時、四角形状コイル２は、第１実施形態と同様の方法で平角銅線２１を折り曲げて成形され、図示するようにコア８１の外周形状に沿う四角形状コイル２を、隙間なく配置することができる。図１４（ｂ）は、比較のために、同様の棒状コア８１に従来の丸線を巻き回したコイル１０３で、楕円形状コイルとなるために、棒状コア８１の外周に隙間Ｇが生じている。

図１５（ａ）は、トロイダルコイルへの適用例であり、四角形断面の環状コア８２周りに、全体を環状に成形した四角形状コイル２が装着されている。図１５（ｂ）は、同様の環状コア８２に従来の丸線を巻き回したコイル１０４を配置したもので、これらの断面形状は、図１４と同様となる。このように、本発明は、棒状コア８１、環状コア８２等、断面四角形状のコアのいずれにも好適に適用され、外周を四角形状コイル２が隙間なく取り巻いている構成とすることができる。これら四角形状コイル２は、上記第１〜３実施形態のいずれの方法で製造してもよい。

このように、本発明の四角形状コイルは、収納スペースが小さく、損失が小さいので、小型化が要求される車載用または家電用の電子機器、制御機器、電源装置、駆動装置といった種々の用途に用いられるコイル装置として有用である。

１ リアクトルコイル（コイル装置）
２ 四角形状コイル
２１ 平角銅線（平角線材）
２２ 薄肉部
２３ 直角部（略直角部）
２４ 折り曲げ部
２５ 端子部
２６ 仮想折線
２７ 銅片（平角線片）
３ コア
３１〜３５ 分割片
３６ 矩形枠
３７ 角部
４ 薄板
５ 絶縁層
６ 銅板（導電板材）
７２ 押さえ治具

Claims (4)

1. 四角形断面のコア（３）周りに装着される四角形状コイル（２）の製造方法であって、
   一定厚の直線状平角線材（２１）を、コイル形状に相当する所定長用意する工程と、
   上記平角線材の上記コアの角部（３７）に対応する部位を、予め１／２以下の厚さに加工して薄肉部（２２）とする工程と、
   上記薄肉部を斜めに横切る仮想折線（２６）に沿って折り曲げ、衝合面が密着する折り曲げ部（２４）を形成する工程と、
   該工程を繰り返して、内周側に略直角部（２３）を有し、上記コアの外周形状に沿う角筒コイル形状に巻回する工程と、を備えることを特徴とする四角形状コイルの製造方法。
2. 四角形断面のコア（３）周りに装着される四角形状コイル（２）の製造方法であって、
   一定厚の導電板材（６）から、四角形状コイルの１辺以上に相当する形状の複数の平角線片（２７）を形成する工程と、
   上記複数の平角線片の端部間を接合する工程と、
   該工程を繰り返して、内周側に略直角部（２３）を有し、上記コアの外周形状に沿う角筒コイル形状に一体化する工程と、を備えることを特徴とする四角形状コイルの製造方法。
3. 四角形断面のコア（３）周りに装着される四角形状コイル（２）の製造方法であって、
   直線状の平角線材（２１）を、コイル形状に相当する所定長用意する工程と、
   上記平角線材の上記コア（３）の角部（３７）に対応する部位を、押さえ治具（７２）で板厚方向の膨らみを規制しながら曲げ加工する工程と、
   該工程を繰り返して、内周側に略直角部（２３）を有し、上記コアの外周形状に沿う角筒コイル形状に巻回する工程と、を備えることを特徴とする四角形状コイルの製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法で製造された四角形状コイルの外表面に絶縁層（５）を形成し、四角形断面のコア周りに装着してなるコイル装置。

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