JP2015216718A - コイル、コイルの製造方法、および、コイル製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性能、および、放熱性能を向上させ、且つ、生産性を向上させることができるコイル、コイルの製造方法、および、コイル製造装置を提供する。【解決手段】例えば電磁鋼板を積層して形成された鉄心４と、鉄心４に例えばエナメル線やポリエステルイミド銅線などからなる導線２が巻回され形成された巻線５とを備えたコイル１において、巻線５の導線２間の隙間Ａを埋め込むように介在された絶縁性の例えばシリコンゴム材などのゴム材にてなる埋込線３を備えたものである。【選択図】図１

Description

この発明は、絶縁性能、放熱性能を向上させ、且つ、生産性を向上させることができるコイル、コイルの製造方法、および、コイル製造装置に関するものである。

従来、鉄心に導線を巻き回して巻線を形成してなる固定子コイルや回転子コイルなどにおいて、絶縁性能の向上に加え、導線間の空隙を充填し、巻線から鉄心への熱伝達を向上させ巻線の放熱性を向上させる目的で、ワニス含浸処理が行われている。このようなワニス含浸方法として、コイルを大気圧条件下で熱硬化性樹脂のワニス中に浸漬してコイルへワニスを浸透させる浸漬含浸法や、コイルを真空容器内に収容し、容器内を減圧した状態でコイルをワニス中に浸漬してコイルへ含浸させる真空含浸法、或いはコイルへワニスを滴下して含浸させる滴下含浸法などがある。

浸漬含浸法や、真空含浸法ではワニスの表面張力による毛細管現象に加え、ワニスの静水圧がかかることによりコイル中へのワニス浸透が促進される。特に真空含浸工法では、ワニスへ浸漬するまえに、減圧脱気によりコイル中の空気層を除去しワニスへ浸漬するために、気泡残留の可能性が低く、絶縁性能、放熱性能の観点から非常に優れた含浸方法である。しかし、浸漬含浸法、真空含浸法ともにコイル全体をワニスに浸漬することを前提としているため、不要部に付着したワニスをワニス処理工程後に除去しなければならず、加工性、材料歩留まりに課題がある。

一方、滴下含浸法は、必要部分に必要な量だけのワニスを含浸させることができ、材料歩留まりの観点から非常に優れた含浸方法である。しかし、滴下含浸法では主として毛細管現象のみによりワニスがコイル中へ浸透するため、前記２つのワニス含浸法に比べワニスの浸透性が低く、コイル巻線間の空隙の残留により、絶縁性能低下や放熱性能低下が起こる場合がある。

この改善のため、コイルへワニスを滴下しているときに、固定子を振動子で加振して、コイル中の空気層を除去してワニスの浸透を促進する方法（例えば、特許文献１参照）や、滴下時に固定子をコアの中心軸を水平に対し５°〜２０°傾けて保持し、傾斜上部のコイル端にワニスを滴下して、ワニスの自重により浸透を促進する方法（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。

特開平６−３２７２０３号公報 特開平９−６６２５８号公報

従来の特許文献１のワニス含浸方法によれば、ワニス滴下中に固定子を加振しコイル中の空気層を除去するため空隙の残留の可能性は低くなるが、振動はワニスの表面張力に影響を与えるわけではないので、浸透速度の増大は見込めず、一旦コイル中の空気層が抜けても、ワニスが浸透しきる前に再びコイル中に空気が入り込み、空隙が残留するという問題点があった。

また、特許文献２のワニス含浸方法によれば、自重によりワニスの浸透速度が増大するため、ワニスの浸透は促進されるが、空気層除去の効果はないため、やはり空隙が残留するという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、導線間の空気層を除去し、絶縁性能、放熱性能を向上させ、且つ、ワニス含浸処理を不要とすることで、生産性を向上させることができるコイル、コイルの製造方法、および、コイル製造装置を得ることを目的とする。

この発明のコイルは、
鉄心と、
前記鉄心に導線が巻回され形成された巻線とを備えたコイルにおいて、
前記巻線の前記導線間の隙間を埋め込むように介在された絶縁性の埋込線を備えたものである。

また、この発明の上記コイルの製造方法は、
前記鉄心に、前記導線と前記埋込線とを同時に巻回して、前記導線間の隙間に前記埋込線が介在させて前記巻線を形成するものである。

また、この発明の上記コイルのコイル製造装置は、
前記鉄心に前記導線を巻回する第一巻回手段と、
前記第一巻回手段と同軸にて形成されるとともに前記鉄心に前記埋込線を巻回する第二巻回手段とを備えたものである。

この発明のコイル、コイルの製造方法、および、コイル製造装置は、上記のように構成され行われているため、
絶縁性能、放熱性能を向上させ、且つ、生産性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１におけるコイルの構成を示す模式図である。 図２は図１（ｂ）に示したコイルのＡ−Ａ’線断面を示す模式拡大断面図である。 図３は図１に示したコイルを製造するためのコイル製造装置の構成を示す図である。 図１に示したコイルを製造するための他のコイル製造装置の構成を示す図である。 図１に示したコイルを製造するための他のコイル製造装置の構成を示す図である。 図１に示したコイルを製造するための他のコイル製造装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３におけるコイルの構成を示す模式拡大断面図である。 この発明の各実施例および比較例を検証するための放熱性能の測定装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１におけるコイルの構成を示す模式図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のコイルの構成の一部を示す部分図である。図２は図１（ｂ）に示したコイルのＡ−Ａ’線断面を示す模式拡大断面図である。但し、図２（ａ）は埋込線が導線間に介在しない巻線の状態を示す断面図である。図２（ｂ）は本願発明の埋込線が導線間に介在した巻線の状態を示す断面図である。図３は図１に示したコイルを製造するためのコイル製造装置の構成を示す図である。図４から図６は図１に示したコイルを製造するための他のコイル製造装置の構成を示す図である。

図１において、コイル１は、電磁鋼板を積層して形成された鉄心４と、エナメル線やポリエステルイミド銅線などからなる導線２を巻回して形成される巻線５とにて構成されている。そして、巻線５の導線２間には導線２間を埋め込むように絶縁性の埋込線３が介在する。具体的には、図２（ａ）に示したように、導線２を鉄心４に巻回すると導線２間には隙間Ａが生じる。そこで本願発明では、図２（ｂ）に示すように、この導線２間の隙間Ａに埋込線３を埋め込むように介在させる。

このように埋込線３を介在させるためには、埋込線３の弾性が導線２の弾性より高いものを用いると容易に行うことができる。例えば、シリコンゴム材などのゴム材を用いることが可能である。具体的には、巻回時に導線２にかかる張力により埋込線３が隙間Ａの形状に合わせて弾性変形する。よって、導線２間の隙間Ａを埋込線３が埋め、導線２間の空気層が除去できる。そしてこのことは、埋込線３の径を導線２間の隙間Ａの距離ｈより太いものを選定することにより確実に達成することができる。

図３において、図１に示したコイル１を製造するためのコイル製造装置６は、導線２を鉄心４に巻回する第一巻回手段としての第一ノズル２１と、埋込線３を鉄心４に巻回する第二巻回手段としての第二ノズル３１とを備えている。そして、第一ノズル２１と第二ノズル３１とは、同軸にて形成され、回転中心が同じになるよう回転軸１０に把持されている。そして、第一ノズル２１と第二ノズル３１とが同軸にて、鉄心４の周囲を旋回する。そして、第二ノズル３１が、第一ノズル２１の導線２に追随して埋込線３を巻回させる。このことにより、導線２間の隙間Ａに埋込線３が介在されたコイル１が得られる。

図３においては、第一ノズル２１と、第二ノズル３１が近接して把持する例を示したが、これに限られることはなく、回転中心が同じである同軸の要件が満たされれば良い。このため、第一ノズル２１と、第二ノズル３１とは近接して把持されていなくてもよい。例えば、図４に示すように、コイル製造装置６として、回転軸１０に第一ノズル２１と、第二ノズル３１とを対向するように配置してもよい。

また、第一ノズル２１と、第二ノズル３１とは、回転半径が同じになるよう把持される必要はなく、例えば、図５に示すように、コイル製造装置６は、第一ノズル２１と、第二ノズル３１の回転半径が異なるように配置してもよい。

また、上記に示したコイル製造装置６は、１本の導線２を巻回す第一ノズル２１に対し、１本の埋込線３を巻回す第二ノズル３１の例を示したが、これに限られることはなく、例えば図６に示すように、コイル製造装置６は、１本の導線２を巻回す第一ノズル２１に対して、第二ノズル３１を２個備え、２本の埋込線３を１本の導線２と同時に巻回してもよい。このようなコイル製造装置６によれば、１本の導線２の両サイドにそれぞれ埋込線３を設置しながら巻線５が形成できるため、生産性に優れている。

上記のように構成された実施の形態１のコイル、コイルの製造方法、および、コイル製造装置によれば、導線間の隙間を埋込線にて埋め込み、埋込線と導線とを密着させることで、導線間の空気層を除去できるため、コイルの絶縁性能、放熱性能を向上させることができる。

また、導線間に弾性の高い埋込線が埋め込まれることにより、コイルを用いるモータおよび回転機等の駆動時の電磁加振力による巻線の振動を抑制できる。
また、コイルの製造方法において、導線間は埋込線にて埋め込まれているため、従来のような導線間を埋めるワニス含浸処理が不要となる。よって、生産工程が簡略化し、生産性を大幅に向上させることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１に示したコイルにおいては埋込線３をゴム材としてシリコンゴム材にて形成する例を示したが、これに限られることはなく、本実施の形態２においては、埋込線３を、ＦＫＭ、ＦＦＫＭ等のフッ素ゴム材にて形成する。フッ素ゴム材は耐熱温度が２００℃以上と高く、特に高温、高電流密度下で使用されるコイルが用いられるモータや回転機において好適である。

上記のように構成された実施の形態２のコイル、コイルの製造方法、および、コイル製造装置によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、埋込線をフッ素ゴム材とすることで、絶縁性能、および放熱性能に加え、耐熱性能を向上させることができる。

実施の形態３．
上記各実施の形態に示したコイルにおいては埋込線をシリコンゴム材またはフッ素ゴム材にて形成する例を示したが、これに限られることはなく、本実施の形態３においては、図７に示すように、埋込線３に熱伝導材フィラ３０として例えばＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２等を含有する。尚、図７は上記実施の形態１にて示したコイル１の図２（ｂ）と同様の部分を示すものである。よって、導線２間の隙間Ａに熱伝導材フィラ３０を含有する埋込線３が充填されたコイル１が得られる。

上記のように構成された実施の形態３のコイル、コイルの製造方法、および、コイル製造装置によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、導線間の埋込線に熱伝導材フィラが含有することで、コイルの放熱性能がより向上し、温度上昇によるコイルの用いられているモータ等の効率低下を更に抑制できる。

次に、本願発明の具体的な実施例および比較例の効果について説明する。
実施例１．
鉄心４に線径１．０５ｍｍの導線２と、太さ０．６ｍｍのシリコンゴム材にて成る埋込線３とを巻き回してコイル１を形成した。この線径における導線２間の隙間は０．３８ｍｍである。

実施例２．
鉄心４に線径１．０５ｍｍの導線２と、太さ０．６ｍｍのＦＫＭにて成る埋込線３とを巻き回してコイル１を形成した。

実施例３．
鉄心４に線径１．０５ｍｍの導線２と、太さ０．６ｍｍの熱伝導材フィラとして平均粒径２０μｍのＡｌ２Ｏ３を含有しシリコンゴム材にて成る埋込線３とを巻き回してコイルを形成した。尚、埋込線３における、シリコンゴム材と熱伝導材フィラとの重量比は、１：０．８にて形成されている。

比較例．
鉄心に線径１．０５ｍｍの導線２のみを巻回す。そして、水分除去及び巻線中に生じた導線の皮膜の応力緩和のため、１００℃以上に加熱する。そして、ワニスを滴下しコイル中にワニスを浸透させる。そして、当該ワニスの硬化温度に設定された熱風乾燥炉中で加熱しワニスを硬化させる。そして、ワニス含浸処理されたコイルを形成する。

次に、各実施例、および、比較例にて構成されたコイルの絶縁性能、および、巻線の放熱性能の評価を行った。絶縁性能については、巻線と鉄心と間の誘電正接の値を測定した。測定条件はＡＣ２５００Ｖ、６０Ｈｚとして、総研電気株式会社製の「ｔａｎδ測定機ＤＡＣ−ＡＳＭ−７」で測定した。

また、放熱性能の測定については、図８に示した、この発明の各実施例および比較例を検証するための放熱性能の測定装置を用いて行う。図８に示すように、コイル１の鉄心４にヒートシンク８を取り付ける。そしてこの状態で、巻線５に交流電源９よりＡＣ１００Ｖ、６０Ｈｚの電圧を印加する。そして、抵抗計７で、初期および１時間通電後の巻線５の抵抗測定をそれぞれ行った。そして、ＪＩＳ−Ｃ４２０３による下記式に従って巻線５の温度上昇を求めた。尚、図８においては便宜上、本願発明に対する符号を付して示している。

θ＝θ２−θα＝（Ｒ２／Ｒ１−１）×（２３５＋θ１）＋（θ１−θα）［℃］
θ：巻線の温度上昇値
θ１：初期抵抗測定時の巻線温度
θ２：試験後の巻線温度
θα：試験後の室温
Ｒ１：初期抵抗
Ｒ２：試験後の抵抗
以下、「表１」に、各実施例および比較例の、誘電正接および温度上昇の測定結果を示す。

表１から明らかなように、誘電正接については、比較例が５．２％であるのに対し、実施例１では１．８％、実施例２では１．６％、実施例３では１．８％と、全ての実施例において比較例より小さい値である。これは、各実施例においては、導線２間の隙間に埋込線３が充填され空気層が除去されているのに対し、比較例においては、ワニス浸透量が少なく、導線２間に空隙（空気層）が生じて、導線２−導線２間、導線２−鉄心４間のコロナ放電の発生、あるいは導線２−鉄心４間のモレ電流の増大があることを示している。

また、温度上昇については、比較例が６３．２℃であるのに対し、実施例１では４８．３℃、実施例２では４７．８℃、実施例３では４０．５℃と、全ての実施例において比較例より温度上昇が少ない。これは、各実施例では導線２間に埋込線３が充填され、導線２で発生したジュール熱を鉄心４に効率良く熱伝達できているのに対し、比較例においては、導線２間に空隙があり、導線２から鉄心４への熱伝達が阻害されていることを示している。

更に、実施例１、２、３を比較すると、実施例３が最も温度上昇が少ない。これは、実施例３が、導線２で発生したジュール熱を最も効率よく鉄心４へ熱伝達できていることを示している。このことは、埋込線３が熱伝導材フィラとしてＡｌ２Ｏ３を含有させているためである。

上記のように構成された各実施例により以上に示した結果を得ることができることにより、上記各実施の形態において示した本願発明における上記に示した効果を得ることが確認できる。

尚、上記各実施の形態および各実施例において埋込線の材料例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コイルを適用するモータ等に求められる耐熱の程度や他の使用条件、また、コスト面から埋込線の材料の価格等により適宜選定すれば良い。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ コイル、２ 導線、３ 埋込線、４ 鉄心、５ 巻線、６ コイル製造装置、
７ 抵抗計、８ ヒートシンク、９ 交流電源、１０ 回転軸、２１ 第一ノズル、
３０ 熱伝導材フィラ、３１ 第二ノズル、Ａ 隙間、ｈ 距離。

Claims (7)

1. 鉄心と、
   前記鉄心に導線が巻回され形成された巻線とを備えたコイルにおいて、
   前記巻線の前記導線間の隙間を埋め込むように介在された絶縁性の埋込線を備えたコイル。
2. 前記埋込線は、前記導線の弾性より弾性の高いゴム材にて形成されている請求項１に記載のコイル。
3. 前記ゴム材は、フッ素ゴム材にて形成されている請求項２に記載のコイル。
4. 前記埋込線は、熱伝導材フィラを含有して形成されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコイル。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のコイルの製造方法において、
   前記鉄心に、前記導線と前記埋込線とを同時に巻回して、前記導線間の隙間に前記埋込線を介在させて前記巻線を形成するコイルの製造方法。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のコイルのコイル製造装置において、
   前記鉄心に前記導線を巻回する第一巻回手段と、
   前記第一巻回手段と同軸にて形成されるとともに前記鉄心に前記埋込線を巻回する第二巻回手段とを備えたコイル製造装置。
7. 前記第二巻回手段は、前記第一巻回手段の前記導線に追随して前記埋込線を巻回する請求項６に記載のコイル製造装置。

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