JP2017157703A - コイル及びコイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性に優れたコイル及びコイルの製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係るコイルは、導電性の細線を束ねたものがレジンでモールドされた巻線用導体であって、前記細線の間には前記レジンが隙間なく充填されている前記巻線用導体からなる。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、コイル及びコイルの製造方法に関する。

コイルに用いられるリッツ線は、複数本のエナメル線素線（細線）を撚合わせて成る多導体のマグネットワイヤ（巻線用導体）である。リッツ線は高周波電気機器のコイル用マグネットワイヤとして多用されるようになってきている。通電される電流の周波数が高くなると表皮効果によって交流抵抗が増加してロスが大きくなる。高周波電気機器のコイルにリッツ線が用いられるのは、絶縁皮膜を有するエナメル線を用いて導体を多数本に分割することによって表皮電流を細分化し、これによって交流抵抗の増加を低減するためである。一般的に断面が円形の丸リッツ線が用いられているが、電気機器コイルを巻線したときのコイル占積率を上げるために、断面が平角形状の平角リッツ線も用いられている。

特開２０００−９０７４７号公報

本発明の実施形態は、絶縁性に優れたコイル及びコイルの製造方法を提供することを目的とする。

実施形態に係るコイルは、導電性の細線を束ねたものがレジンでモールドされた巻線用導体であって、前記細線の間には前記レジンが隙間なく充填されている前記巻線用導体からなる。

実施形態に係るコイルの概略構成例を示す図 コイルの断面構造を示す図 コイルの製造過程の途中工程の状態を示す図 コイルの製造過程の途中工程の状態を示す図 コイルの製造過程の途中工程の状態を示す図 コイルの製造過程の途中工程の状態を示す図 コイルの製造過程の途中工程の状態を示す図 コイルの製造過程の途中工程の状態を示す断面図 コイルの製造過程の途中工程の状態を示す図

以下、一実施形態について図面に基づいて説明する。実施形態の説明において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１は、実施形態の一例として示すコイル１０の概略構成例を示す斜視図である。図２は、図１のコイル１０の部分Ａにおける構成を示す断面図である。コイル１０は、例えば銅からなる細線すなわち素線を撚り合わせて束ねられた巻線用導体たるリッツ線１２により構成されている。コイル１０は、リッツ線１２が、中心に空洞を有して同心円状に例えば楕円を呈し、渦巻き状に密着して巻回するようにして構成され、全体がレジンにより固められている。図１における部分Ａはリッツ線１２の基本単位に相当する部分であり、図２はコイル１０を構成するリッツ線１２の基本構成を示している。コイル１０に用いられるリッツ線１２は、互いに絶縁された複数の導電性の素線１４（細線）、例えば絶縁被膜を備える複数のエナメル線を撚り合わせて束ねてなる多導体のマグネットワイヤ（巻線用導体）である。

図２に示すように、リッツ線１２は、複数の素線１４を撚り合わせてなる第１単位リッツ線１６を備えている。更に複数の第１単位リッツ線１６が撚り合わされることにより、第２単位リッツ線１８が構成されている。リッツ線１２は、第２単位リッツ線１８の周囲を、固縛帯２２及び包囲帯２４により覆われてなるものである。

固縛帯２２としては、例えば、強靭なアラミド繊維テープが用いられる。固縛帯２２は紙テープ形状を備えており、第２単位リッツ線１８の周囲を巻回することにより、第２単位リッツ線１８を構成する第１単位リッツ線１６若しくは素線１４が解けてしまわないように固縛するために用いられる。固縛帯２２は後述する図４（ａ）に示すように、巻回する固縛帯２２の間に間隙Ｇが形成されるように、第２単位リッツ線１８の周囲を巻回している。

包囲帯２４は、固縛帯２２により固縛された第２単位リッツ線１８の周囲を巻回して覆っている。包囲帯２４は、後述する不織布テープ３２に後述するレジン液３８を含浸させて硬化させたものである。この場合、不織布テープ３２は、後述するコイル１０の製造工程において、後述するレジン液３８を浸透、透過させることが可能で、第２単位リッツ線１８の周囲を巻回可能な素材の一例として挙げたものである。このような特性を有していれば包囲帯２４を構成する素材は不織布テープ３２に限定されなくてもよい。

第２単位リッツ線１８において、複数の素線１４の間、若しくは複数の第１単位リッツ線１６の間には絶縁性の硬化レジン２０（レジン）が隙間なく存在している。また、素線１４と固縛帯２２及び包囲帯２４の間、更には、第１単位リッツ線１６と固縛帯２２及び包囲帯２４の間も、隙間なく硬化レジン２０が存在している。すなわち、第２単位リッツ線１８は、複数の素線１４、若しくは複数の第１単位リッツ線１６を後述するレジン液３８で硬化し一体的に固めたものであって、硬化レジン２０により立体的に一体化されて固定されたものである。また、リッツ線１２は、素線１４、第１単位リッツ線１６、第２単位リッツ線１８、固縛帯２２、及び包囲帯２４が硬化レジン２０により隙間なく固められている。すなわち、コイル１０及びこれを構成するリッツ線１２は、素線１４の間及びその周囲が硬化レジン２０で隙間なく充填されてモールドされた構成を備える。

硬化レジン２０すなわち後述するレジン液３８としては、熱伝導率すなわち放熱性の高いレジンを採用してもよい。熱伝導率の高いレジンとしては、例えばエポキシ樹脂に、高熱伝導性を発現させる添加剤としてアルミナや窒化ホウ素などのマイクロサイズの高熱伝導性フィラーを添加したものが用いられる。熱伝導率の高いレジンを採用した場合は、コイル１０及びこれを構成するリッツ線１２は、複数の素線１４の間、複数の第１単位リッツ線１６の間、素線１４と固縛帯２２及び包囲帯２４の間、更には、第１単位リッツ線１６と固縛帯２２及び包囲帯２４の間に隙間なく熱伝導率すなわち放熱性が高い硬化レジン２０が充填された構成となっている。従って、形成されるコイル１０及びこれを構成するリッツ線１２は、その内部が熱伝導率すなわち放熱性が高い硬化レジン２０によって隙間なく満たされており、その外周も放熱性が高い硬化レジン２０により硬化された包囲帯２４により覆われているため、コイル１０全体が熱伝導率すなわち放熱性が高いものとなる。

次に、コイル１０の製造方法について説明する。図３から図９はコイル１０の製造方法を説明するための図であり、製造工程の各途中工程における状態を示す図である。図３はコイル１０を構成するリッツ線１２の製造過程の途中工程の状態を示す図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は断面図を示す。４３はコイル１０を構成するリッツ線１２の製造過程の途中工程の状態を示す図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は断面図を示す。図５はコイル１０を構成するリッツ線１２の製造過程の途中工程の状態を示す図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は断面図を示す。

まず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、撚り合わせリッツ線３０ａ（リッツ線）を準備する。撚り合わせリッツ線３０ａは、素線１４を撚り合わせて第１単位リッツ線１６を作成し、次いで、第１単位リッツ線１６を撚り合わせて作成されたものである。撚り合わせリッツ線３０ａを硬化レジン２０で固めたものが第２単位リッツ線１８に相当する。

次に、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、撚り合わせリッツ線３０ａの周囲を固縛帯２２により巻回することにより固縛し、固縛リッツ線３０ｂ（リッツ線）を形成する。固縛帯２２は撚り合わせリッツ線３０ａの周囲を、間隙すなわち隙間を形成するようにして巻回される。この状態では、巻回される固縛帯２２の間の間隙から撚り合わせリッツ線３０ａが露出している。ここで、固縛帯２２は例えばアラミド紙テープであるため、後述するレジン液を透過させることができない。

次に、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、固縛リッツ線３０ｂの周囲を不織布テープ３２により巻回することにより包帯リッツ線３０ｃ（リッツ線）を形成する。この場合、不織布テープ３２は、巻解された不織布テープ３２の間に間隙が発生しないように固縛リッツ線３０ｂの周囲を巻回されている。不織布テープ３２は後述するレジン液３８を浸透、透過させることができる。

ここで、不織布テープ３２には、後述するレジン液３８の硬化促進剤が含まれている。硬化促進剤としては、例えば、アミン類、イミダゾール類、ホスフィン、ＤＢＵ（１,８-ジアザビシクロ(５.４.０)ウンデセン-７）及びその有機酸塩、若しくはアンモニウムあるいはホスホニウム化合物などが用いられる。

なお、不織布テープ３２が、撚り合わせリッツ線３０ａを固縛するのに十分な強度、すなわち、素線１４及び第１単位リッツ線１６が解けてしまわないようにするのに十分な強度を有している場合は、固縛帯２２による撚り合わせリッツ線３０ａの固縛を省略することができる。すなわち、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、撚り合わせリッツ線３０ａの周囲を、不織布テープ３２により隙間なく巻回することにより、図５（ｃ）に示す包帯リッツ線３０ｄ（リッツ線）を形成することができる。この場合は固縛帯２２による固縛を省略できるため、工程が簡略化でき、製造コストの削減に貢献する。また、この場合のコイル１０及びこれを構成するリッツ線１２においては、第２単位リッツ線１８の周囲が包囲帯２４により覆われ、第２単位リッツ線１８と包囲帯２４の間には固縛帯２２が存在しない。その他の構成は同じである。

次に、図６に示すように、包帯リッツ線３０ｃを巻回心材３４の周囲に巻回することにより、包帯リッツ線３０ｃをコイル状に形成する。巻回心材３４は例えば木材により構成される。包帯リッツ線３０ｃを巻回心材３４に巻回しコイル状に形成されたものは、図７に示すようにコイル１０ｂとなる。

次に、コイル１０ｂを巻回心材３４から抜いた後、図７に示すように、レジン液３８を満たしたレジン容器３６内に浸漬する。レジン容器３６を大気圧より低い圧力の空間に置くことにより、レジン液３８のコイル１０ｂ内部への充填が促進される。ここで、上述したように不織布テープ３２は、レジン液３８を透過させることができる。また、固縛帯２２は図４に示すようにその間に間隙Ｇが形成されるようにして撚り合わせリッツ線３０ａの周囲に巻回されている。従って、レジン液３８は不織布テープ３２を透過して包帯リッツ線３０ｃの内部に浸入し、更に、巻回された固縛帯２２の間隙Ｇを通って第１単位リッツ線１６、素線１４の間に浸入する。これにより、第２単位リッツ線１８の内部の第１単位リッツ線１６又は素線１４の間、更には固縛帯２２、不織布テープ３２とこれら素線１４、第２単位リッツ線１８等との間は、隙間なくレジン液３８で満たされている。

ここで、上述したように、不織布テープ３２にはレジン液３８の硬化促進剤が含まれている。この硬化促進剤により、コイル１０ｂをレジン液３８に浸漬させ、レジン液３８が不織布テープ３２及び包帯リッツ線３０ｃ内部に十分浸透した後に、不織布テープ３２におけるレジン液３８が硬化促進剤と反応して硬化する。これにより、後述する図８に示すようにレジンによって硬化された包囲帯２４が形成される。ここで、硬化促進剤は不織布テープ３２にのみ含まれているため、不織布テープ３２部のレジン液３８だけが硬化し、不織布テープ３２に覆われた内部のレジン液３８は硬化しない未硬化のままで残存する。すなわち、第２単位リッツ線１８の内部の第１単位リッツ線１６、素線１４、及び固縛帯２２との間であって、不織布テープ３２に覆われた内部領域は、硬化前のレジン液３８すなわち未硬化レジン４０により満たされている。この状態のコイルを、コイル１０ｄとし、これを構成するリッツ線を包帯リッツ線３０ｅとする。コイル１０ｄを構成する包帯リッツ線３０ｅは、図８に示すように、未硬化レジン４０が、その内部の素線１４の間、第１単位リッツ線１６の間に満たされ、その外周が、レジン液３８により硬化された不織布テープ３２すなわち包囲帯２４により覆われている状態となっている。

次に、この状態のコイル１０ｄをレジン容器３６から取り出したものを図９に示す。コイル１０ｄを構成する包帯リッツ線３０ｅの構造は、上述するように図８に示されている。図８は、図９のＢ部分の断面構造を示したものである。この時、コイル１０ｄを構成する包帯リッツ線３０ｅは上述のように、周囲がレジン液３８で硬化された包囲帯２４により覆われている。このため、コイル１０ｄをレジン容器３６から取り出しても、コイル１０ｄ内部のレジン液３８すなわち未硬化レジン４０が外部に漏れ出ないようにすることができ、包囲帯２４により覆われた内部に隙間なく保持された状態が確保されている。

次いで、図９に示すように、コイル１０ｄを熱乾燥炉４２に投入する。熱乾燥炉４２によりコイル１０ｄの全体が熱乾燥され、これによって、コイル１０ｄの未硬化レジン４０が硬化する。同時に包囲帯２４の硬化も促進される。以上の工程を経て、図１に示すコイル１０を製造することができる。

なお、図７に示す工程において、不織布テープ３２部のみ硬化促進剤を含ませて、この部分のみのレジン液３８を硬化させるのは以下の理由による。仮に、不織布テープ３２部分に、レジン液３８の硬化促進剤を含ませることがない場合を想定する。この場合、レジン容器３６内のレジン液３８にコイル１０ｂを浸漬しても、不織布テープ３２部分のレジン液３８は硬化しない。この状態で、レジン容器３６からコイル１０を出すと、不織布テープ３２はレジン液３８を透過させるため、コイル１０内の未硬化レジン４０が不織布テープ３２を通過して外に漏れ出てしまう。従って、この状態で、熱乾燥炉４２でレジン液３８を硬化させると、コイル１０を構成するリッツ線１２の内部は硬化レジン２０が欠落し、素線１４、第１単位リッツ線１６、第２単位リッツ線１８、固縛帯２２、及び包囲帯２４等の間に隙間が形成される。このような隙間が存在すると、コイル１０は絶縁性が低下してしまう。

一方、不織布テープ３２に硬化促進剤を含ませない場合にレジン液３８を硬化させるには、レジン容器３６にコイル１０を入れた状態で加熱するなどの方法でレジン液３８を硬化させることになる。しかし、このようにすると、中にコイル１０を入れたレジン容器３６ごとレジン液３８が硬化してしまい、レジン容器３６ごとこれらが一体化してしまうためコイル１０を取り出すことができない。またコイル１０中央の空洞にも硬化したレジンが満たされてしまい、当該空洞が硬化されたレジンで塞がれてしまう。以上の理由から、不織布テープ３２に硬化促進剤を含ませて、この部分のみレジン液３８を硬化させるのである。すなわち、不織布テープ３２は、これに硬化促進剤を含ませることによりレジンにより硬化された包囲帯２４となり、コイル１０ｂを、レジン液３８を満たしたレジン容器３６に浸漬し、内部にレジン液３８を含浸させた際に、コイル１０ｂ内部にレジン液３８が隙間なく充填された状態を保持する機能を有する。これにより、コイル１０内部の素線１４、第１単位リッツ線１６、第２単位リッツ線１８、固縛帯２２及び包囲帯２４間に隙間がなく、絶縁性が向上したコイル１０を得ることができる。

上述した実施形態に係るコイル１０によれば以下の効果を奏する。
実施形態のコイル１０及びこれを構成するリッツ線１２は、素線１４の間及びその周囲が硬化レジン２０で隙間なく充填されてモールドされた構成を備える。これにより、コイル１０の絶縁性が向上され、例えばこれを高周波電気機器に用いた場合にあっても、優れた絶縁性を奏する。

さらに、コイル１０及びこれを構成するリッツ線１２において、素線１４、第１単位リッツ線１６、第２単位リッツ線１８、固縛帯２２、及び包囲帯２４が硬化レジン２０により一体的かつ隙間なく固められ、立体的に固定された構成を備える。すなわち、コイル１０及びこれを構成するリッツ線１２は、素線１４の間及びその周囲が硬化レジン２０で隙間なく充填されて固められモールドされた構成を備える。これにより、コイル１０において、隙間や剥離ボイドの発生が抑制され、優れた絶縁性を奏する。

実施形態のコイル１０及びこれを構成するリッツ線１２は、その周囲がレジンで硬化された不織布テープ３２からなる包囲帯２４により覆われている。これにより、リッツ線１２間の絶縁性が向上するとともに、コイル１０の機械的強度が向上する。

実施形態のコイル１０及びこれを構成するリッツ線１２において、これに用いられる硬化レジン２０すなわちレジン液３８として、熱伝導率すなわち放熱性の高いレジンを採用してもよい。この場合、コイル１０は優れた放熱性を備えるため、例えばコイル１０において異常発熱が発生した場合にもコイル１０の破損等を抑制することができる。

実施形態のコイル１０の製造方法によれば、不織布テープ３２にはレジン液３８の硬化促進剤が含まれている。この硬化促進剤により、製造途中のコイル１０ｂをレジン液３８に浸漬させ、レジン液３８が包帯リッツ線３０ｃ内部に十分浸透した後に、不織布テープ３２におけるレジン液３８が硬化促進剤と反応して硬化する。これにより、コイル１０の内部領域が硬化されていないレジン液３８すなわち未硬化レジン４０により満たされ、その外周が、レジン液３８により硬化された不織布テープ３２すなわち包囲帯２４により覆われている状態となる。すなわち、コイル１０の内部領域の未硬化レジン４０の外周が、レジンにより固められた包囲帯２４により覆われ、内部に未硬化レジン４０が閉じ込められた状態を作り出すことができる。これにより、製造途中のコイル１０をレジン容器３６から取り出しても、コイル１０の内部領域の未硬化レジン４０が漏れ出ないようにすることができる。これにより、素線１４の間及びその周囲が硬化レジン２０で隙間なく充填されてモールドされた構成を備えるコイル１０及びこれを構成するリッツ線１２を得ることができる。以上より、例えばこれを高周波電気機器に用いた場合にあっても、優れた絶縁性を備えるコイル１０を製造することができる。

上記説明において、実施形態に係るリッツ線１２として平角リッツ線を用いた例を例示して説明したが、これに限る意図はない。例えば丸型リッツ線を用いてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１０、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄはコイル、１２、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅはリッツ線、１４は素線、２０は硬化レジン（レジン）、２２は固縛帯、２４は包囲帯、３２は不織布テープ、３６はレジン容器、３８はレジン液（レジン）、４０は未硬化レジン（レジン）、４２は熱乾燥炉を示す。

Claims (8)

1. 導電性の細線を束ねたものがレジンでモールドされた巻線用導体であって、
   前記細線の間には前記レジンが隙間なく充填されている前記巻線用導体からなるコイル。
2. 前記巻線用導体の周囲は前記レジンにより硬化された不織布により覆われている請求項１に記載のコイル。
3. 前記巻線用導体の周囲は、硬化させる前の前記レジンを透過しない性質を備えるテープにより巻回されている請求項１又は２に記載のコイル。
4. 前記レジンは熱伝導性が高い請求項１から３のいずれか一項に記載のコイル。
5. 前記レジンには高熱伝導性を発現させる添加剤が添加されている請求項１から４のいずれか一項に記載のコイル。
6. 導電性の細線を束ねた巻線用導体を準備する工程と、
   前記巻線用導体の周囲を、レジン硬化促進剤を含む不織布により巻回する工程と、
   前記不織布により巻回された前記巻線用導体を螺旋状に巻回しコイル形状にする工程と、
   コイル形状にされた前記巻線用導体を液体レジンに浸漬して前記液体レジンを含浸させる工程と、
   前記液体レジンを含浸させた前記巻線用導体を熱乾燥炉で処理することによりレジンを硬化させる工程を備えるコイルの製造方法。
7. 前記巻線用導体の周囲を、レジン硬化促進剤を含む不織布により巻回する工程の前に、液体レジンを透過しない性質を備えるテープにより、間隔を設けつつ巻回する工程を備える請求項６に記載のコイルの製造方法。
8. 前記レジンには高熱伝導性を発現させる添加剤が添加されている請求項６又は７に記載のコイルの製造方法。

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