JP5244081B2

JP5244081B2 - 電磁拡管成形用インダクタ及びその製造方法

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Publication number: JP5244081B2
Application number: JP2009279950A
Authority: JP
Inventors: 光利森; 秀豪金橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: JP2011121083A

Description

本発明は、導電体である金属管等を電磁力を利用して拡管成形する際に使用される電磁拡管成形用インダクタ及びその製造方法に関する。

電磁拡管成形は、高電圧で蓄えられた電荷を電磁成形用インダクタに瞬時に放電させて、その周囲に極めて短時間で強力な磁場を形成し、この強磁場の中に被成形体を配置することにより、被成形体と成形用コイルとの間に電磁反力を発生させて、被成形体を拡管成形する技術である（特許文献１）。

この電磁拡管成形は、電磁力を利用して導電体（Ａｌ、Ｃｕ、非磁性ステンレス鋼、Ｔｉ等）の塑性加工が可能であるため、パイプ状及び板状等の種々の多様な形状の被成形体を加工することができるので、様々な分野への適用が検討されている。

このような電磁拡管成形に使用される電磁拡管成形用インダクタとして、例えば特許文献２又は３に開示されたものがある。図４は、特許文献２及び３に記載された従来の電磁成形用インダクタを示す断面図である。なお、図４は、電磁拡管成形用コイルの中心軸（１点差線）から一方の周面までの半分の部分を示す。

図４に示すように、電磁拡管成形用インダクタ１０１は、絶縁性樹脂により軸状に構成されたボビン２を有している。このボビン２の周面には、ガラスクロステープ６により被覆された矩形断面を有する中空の導体素線４が、ボビン２を軸心としてらせん状に巻回されコイルを構成している。なお、この導体素線４の中心の中空部５は、冷媒が通流して導体素線４を冷却するようになっている。そして、この導体素線４は隣接する導体素線４の相対する表面同士が平行になるように巻回されている。また、コイルの外側には、所定の厚さを有するようにガラスクロス７が巻き付けられている。絶縁性の樹脂８は、ガラスクロステープ６、ガラスクロス７及び各構成物間の空隙に含浸され、これにより絶縁層及び導体が固着されている。なお、電磁拡管成形用インダクタ１０１は、樹脂８の含浸後にガラスクロス７の外周を切削加工されることにより、所定の外径を有している。

特開２００４−３５１４５５号公報特開２００４−４００４４号公報特開平０６−２３８３５６号公報

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。図４に示す電磁拡管成形用インダクタ１０１において、樹脂８は含浸の際にガラスクロスの繊維に沿って含浸していき、かつボビン２の樹脂自体には浸透しない。このため、各導体を被覆するガラスクロステープ６同士の境界でボビン直上の部分（図４に示すＢ部）は、樹脂の浸透が不十分になりやすく、その結果として空隙が生じやすい。一方、電磁拡管成形用インダクタ１０１の使用時には、大電流がコイルに通電されることにより導体素線４が振動するため、電磁成形用コイル１０１の内部に空隙があるとその部分が亀裂の発生源となりやすい。発生した亀裂は、繰り返しの使用により進展し、やがて電磁拡管成形用インダクタ１０１の変形及び破損等を引き起こす可能性がある。従って、内部に空隙を有する電磁拡管成形用インダクタは、その寿命が短くなってしまう。

図５は、電磁拡管成形時に導線に作用する電磁力を示す模式図である。軸部２１の周面に、樹脂２２で被覆された導線２３が巻回されて、電磁拡管成形用インダクタが構成されており、このインダクタを外嵌するように、金属製被成形パイプ２０が配置されている。電磁力を利用した拡管成形では、被成形パイプに瞬発的な電磁力を作用させたときに、同時に、コイル導線２３は、導線２３に流れる電流と磁束密度との相互作用により、コイル中立軸に向かう半径方向に電磁反力２４を受け、更に、被成形パイプの端部近傍に中立軸方向（図５の矢印２５で示す方向）に電磁反力を受けて、インダクタ自身又は導線が変形することにより破損してしまうという問題点がある。なお、図５において、Ｆｒは半径方向に作用する電磁力を示し、Ｆｚは軸方向に作用する電磁力を示す。

更に、瞬発的な電磁反力の繰り返しにより、ダメージが蓄積され、上述のような変形が大きく、軸部２１と含浸性樹脂によって被覆された導線２３との界面に作用する剪断力２５により、剥離が進行して隣り合う導線２３が接触した場合、導通によりスパークして破損をもたらすため、コイル導線間に絶縁性を有する含浸樹脂２２を配置しているが、瞬間的な電磁反力のために、含浸樹脂２２をも圧壊又は剥離して破損させてしまう虞がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、コイルの導線に作用する電磁反力を低減し、樹脂含浸性繊維によって被覆された導線と軸部との界面に作用する剪断力を低減して、耐久性を向上させ、長寿命化した電磁拡管成形用インダクタ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電磁拡管成形用インダクタは、軸部と、この軸部の周面に巻回されたコイルと、このコイルの外周を被覆する外側樹脂含浸層と、を有し、前記コイルは、導線に第１の樹脂含浸性繊維層が被覆されこの第１の樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂が含浸されて構成されており、前記外側樹脂含浸層は、絶縁性樹脂を含浸させた第２の樹脂含浸性繊維層からなり、前記コイルは、その外径が前記軸部の両端部において軸方向の外方にいくにつれて小径化されていて、前記コイルの外径が前記軸部の軸方向に小径化されている区間が、その半径方向外側に被拡管部材が位置しないように配置されることを特徴とする。

この場合に、前記第１及び第２の樹脂含浸性繊維層は、例えばガラスクロステープにより構成されている。

上述の電磁拡管成形用インダクタにおいて、前記外側樹脂含浸層は、例えば前記コイルの外径が小径化されている区間において、前記軸部の軸方向の外方にいくにつれて外径が小径化されており、前記外側樹脂含浸層の外面の小径化されていない区間における直径をｒ、前記外側樹脂含浸層の最小外径をｔとしたときに、前記小径化されていない区間における直径ｒに対する前記最小外径ｔの比ｔ／ｒが０．９１以下である。

本発明に係る電磁拡管成形用インダクタの製造方法は、導線に第１の樹脂含浸性繊維層を被覆し、この第１の樹脂含浸繊維層に絶縁性樹脂を含浸させる工程と、両端部が夫々軸方向の外方にいくにつれて小径化されている軸部の周面に前記樹脂含浸後の導線を軸方向に同一巻き数で巻回してコイルを形成する工程と、前記コイルの外周に第２の樹脂含浸性繊維層を被覆する工程と、前記第２の樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂を含浸させる工程と、を有し、前記コイルの外径が前記軸部の軸方向に小径化されている区間が、その半径方向外側に被拡管部材が位置しないように配置されるインダクタを製造することを特徴とする。

本発明の電磁拡管成形用インダクタは、コイルの外径が軸部の両端部において軸方向の外方にいくにつれて小径化されている。これにより、電磁拡管成形時に導線に生じる電磁反力を低減させることができ、軸部と導線を被覆している第１の樹脂含浸性繊維層との界面に作用する剪断応力を低減させることができる。また、導線を被覆している第１の樹脂含浸性繊維層同士の接触界面に作用する剪断力の方向を電磁反力が作用する方向に対して逆転させることができる。その結果、電磁拡管成形用インダクタの耐久性を向上させ、長寿命化することができる。

本発明の電磁拡管成形用インダクタの製造方法によれば、耐久性を向上させ、長寿命化した電磁拡管成形用インダクタを得ることができる。

本発明の実施形態に係る電磁拡管成形用インダクタを示す断面図である。同じく電磁拡管成形用インダクタを示す断面図である。電磁拡管成形用インダクタにおいて、長手方向端部の外径に対する剪断応力比の変化を示すグラフ図である。従来の電磁拡管成形用インダクタを示す断面図である。電磁成形時に発生する応力を示す模式図である。従来構造の電磁拡管成形用インダクタについて、剪断応力比と成形可能寿命比との関係を示す図である。最端部の導線から被成形体までの距離を変化させたときの剪断応力比の変化を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施形態に係る電磁拡管成形用インダクタを示す断面図である。なお、図１は、電磁拡管成形用インダクタの中心軸（１点鎖線にて示す）をとおる断面において、一方の半分の部分を示すものである。

図１に示すように、本実施形態の電磁拡管成形用インダクタ１は、軸部を構成するボビン２を有している。このボビン２の周面には、ガラスクロステープ６により被覆された矩形断面を有する中空の導体素線４が、ボビン２を軸心として螺旋状に巻回されコイルを構成している。そして、この導体素線４は隣接する導体素線４の相対する表面同士が平行になるように巻回されている。また、コイルの外側には、所定の厚さを有するようにガラスクロス７が巻き付けられている。そして、ガラスクロステープ６、ガラスクロス７及び各構成物間の空隙には、絶縁性の樹脂８が含浸され、各絶縁層及び導体が固着されている。

ボビン２は、例えば絶縁性樹脂により形成されている。ボビン２は、柱状であり、本実施形態においては、断面形状が円形となるように構成されている。ボビン２の側面には、その軸方向の両端部近傍において、外径が夫々軸方向の外方にいくにつれて小径化されるように、螺旋状の段差が設けられている。この段差の幅は、コイル（ガラスクロステープ６により被覆された導体素線４）の矩形断面の１辺の長さと同程度である。また、ボビン２は、外径が小径化された軸方向の両端部の区間を除いては、外径が一定となるように形成されている。なお、ボビン２には、例えばその軸方向端部において、電磁拡管成形用インダクタ１を外部に固定するためのフランジ部等が設けられていてもよい。また、本実施形態においては、ボビン２は軸状であるが、例えば筒状であってもよく、ボビン２が筒状として構成されている場合においては、その両端部の外径（内径ではない）が夫々軸方向の外方にいくにつれて小径化されるように形成されている。

導体素線４は、矩形断面を有し、中心に円形の冷媒流通用の中空部５が形成された筒状をなし、上述の如く、外面には樹脂含浸性繊維層であるガラスクロステープ６が被覆されている。このガラスクロステープ６は樹脂含浸性を有し、絶縁性樹脂が含浸されて硬化されている。そして、ボビン２の周面には、中空の導体素線４が、ボビン２を軸心として螺旋状に巻回されてコイルが構成されている。この場合、隣接する導体素線４の相対する表面同士が平行になるように、かつガラスクロステープ６同士が接触するようにして密に巻回されている。上述の如く、ボビン２の側面には、その軸方向の両端部近傍において、螺旋状の段差が設けられており、段差の幅はコイルの矩形断面の１辺の長さと同程度である。従って、ガラスクロステープ６により被覆された導線４は、ボビン２の螺旋状の段差に沿って、隣接する導体素線４を被覆しているガラスクロステープ６同士が接触するように密に巻回されており、従って、軸方向の外方にいくに従って外径が小径化されたコイルが形成されている。本実施形態においては、導体素線４の巻き数は、ボビン４の半径方向に１回である。導体素線４は、例えば銅又は銅合金により製造され、図示しない電源装置に接続されて給電されるようになっている。このように、ボビン２を軸心として導体素線４が密巻きされることにより、ボビン２（軸部）の両端部において、軸方向の外方にいくにつれて外径が小径化されたコイルが形成されている。なお、導体素線４の中空部５の内部には、冷媒装置から液体又は気体の冷媒が循環供給されて、コイルとしての使用時に発生する熱を冷却するようになっている。

コイルの外周面上には、所定の厚さを有するように外側樹脂含浸層用の繊維層であるガラスクロス７が巻き付けられている。このガラスクロス７はシート状であるが、例えばテープ状とすることもできる。ガラスクロス７も樹脂含浸性の繊維層であり、絶縁性の樹脂８がインダクタの周面から含浸されて硬化されている。この絶縁性樹脂８は、各繊維層（ガラスクロステープ６及びガラスクロス７）の間にも含浸されて硬化している。ガラスクロス７は絶縁性樹脂８が含浸されて硬化することにより外側樹脂含浸層を形成している。絶縁性樹脂８としては、例えば熱硬化性を有するエポキシ樹脂等を使用することができる。なお、電磁成形用インダクタ１は、絶縁性樹脂の含浸後にガラスクロス７の外周面を切削加工することにより、所定の外径を有するものとなっている。図１に示すように、本実施形態においては、ガラスクロステープ６が被覆された導線４がボビン２の螺旋状の段差部分に巻回されることにより、相互に隣接する導線４により、ボビン２と同様の段差が形成されている。本実施形態においては、ガラスクロス７は、隣接する導線４により形成された段差を埋めるように巻き付けられており（図１中破線部）、更にその上からガラスクロス７が一定の厚さで巻回されている。これにより、ガラスクロス７（外側樹脂含浸層）の外面は平滑な曲面として形成され、コイルの外径が小径化されている区間において、ボビン２（軸部）の軸方向の外方にいくにつれてガラスクロス７の外径が小径化されており、外径が小径化されたコイル軸方向の両端部の区間を除いては、外径が一定となるように形成されている。そして、ガラスクロス７（外側樹脂含浸層）の外面の小径化されていない区間における直径をｒ、ガラスクロス７（外側樹脂含浸層）の最小外径、即ち、軸部(ボビン)２の両端部におけるガラスクロス７（外側樹脂含浸層）の外径をｔとしたときに、比ｔ／ｒは０．９１以下である。

次に、本実施形態の電磁拡管成形用インダクタの製造方法について説明する。図１に示す本実施形態の電磁拡管成形用インダクタ１は、例えば、以下に示す方法により製造することができる。先ず、導体素線４の周囲にガラスクロステープ６を巻回することにより、導線４に樹脂含浸性繊維層を被覆する。引き続いて、このガラスクロステープ６に例えば熱硬化性を有するエポキシ樹脂等を含浸させて硬化させて、周囲に樹脂含浸層が形成された導体素線４を得る。

次に、樹脂含浸層で被覆された導体素線４をボビン２の周面に螺旋状に巻回することによりコイルを構成する。上述の如く、ボビン２の側面には、その軸方向の両端部近傍において、外径が夫々軸方向の外方にいくにつれて小径化されるように、螺旋状の段差が設けられている。また、ボビン２は、外径が小径化された軸方向の両端部の区間を除いては、外径が一定となるように形成されている。このような形状のボビン２の周面に、隣接する導体素線４の相対する表面同士が平行となるように導体素線４をボビン２の軸方向に同一巻き数で巻回する。なお、本実施形態において、導体素線の巻き数はボビン２の半径方向に１回であるが、２重巻き以上で軸方向に同一の巻き数で巻回してもよい。

次に、コイルの外周に、ガラスクロス７を巻回する。先ず、ガラスクロス７を、隣接する導線４により形成された段差を埋めるように巻き付ける（図１中破線部）。そして、例えば、市販の（厚さが例えば０．３ｍｍの）ガラスクロス７をハーフラップ（幅方向の部分を５０％重ねる）となるように、軸方向に均一に巻回する。これにより、ガラスクロス７（外側樹脂含浸層）の外面は平滑な曲面として形成され、コイルの外径が小径化されている区間において、ボビン２（軸部）の軸方向の外方にいくにつれてガラスクロス７の外径が小径化され、外径が小径化されたコイル軸方向の両端部の区間を除いては、外径が一定となるように形成される。その後、樹脂８を含浸させて外側樹脂含浸層を形成する。樹脂８としては、例えば絶縁性及び熱硬化性を有するエポキシ樹脂を使用する。その後、樹脂８を加熱・硬化させることにより、絶縁層が強固に固着する。その後、ボビン２を軸心としてガラスクロス７の外周面を切削加工することにより、所定の形状を有する電磁成形用コイル１が得られる。

次に、本実施形態の動作について説明する。例えば、図１に示す本実施形態の電磁拡管成形用コイル１を金属管２０（被拡管部材）の拡管に使用する場合、先ず、図示されている電磁拡管成形用コイル１の軸部を被加工材である金属管２０内に挿入し、外側樹脂含浸層（ガラスクロス７）の外面の直径が一定の区間に面するように金属管２０を配置する。これにより、ガラスクロス７（外側樹脂含浸層）の外面の直径が一定の区間で金属管２０を成形する。

次に、導体素線４により構成されたコイルに衝撃大電流を通電し、電磁拡管成形用コイル１の軸部の周囲に磁場を発生させる。これにより、金属管は磁場の反発力により外側へ向けて強い拡張力を受けて拡管し、金属管の外側に配置された成形型（図示せず）に押し付けられて成形される。このとき、コイルの外径が軸方向に小径化された区間においては、コイルの外径の減少と共に発生する電磁力は低下するが、コイルの外径が小径化された区間においては、半径方向の外側には、被拡管部材である金属管２０は位置しておらず、コイルの外径が一定の区間における電磁力により十分な拡管力を得て、金属管２０を拡管することができる。なお、この際、導体素線４に発生する熱を冷却するために、導体素線４の中空部に冷媒が流通している。

従来、図５に示すように、金属管２０の拡管時には、導線４は、導線４に流れる電流と磁束密度との相互作用により、コイル軸に向かう方向（図５の矢印２４で示す方向）に電磁反力を受ける。また、特に被成形パイプ（金属管２０）の端部近傍においては、導体素線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）とボビン２（軸部）との界面にはコイル軸方向に剪断力が作用する。これに対し、本実施形態においては、図１及び図２に示すように、コイルの外径をボビン２（軸部）の両端部において、軸方向の外方にいくにつれて小径化している。これにより、コイルの外径が小径化された区間においては、外径の減少と共に発生する電磁力は低下するが、外径が小径化された区間においては、半径方向の外側に、被拡管部材である金属管２０は位置していない。従って、この区間において、コイルに作用する電磁反力を低減させることができ、導体素線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）とボビン２（軸部）との界面に発生する剪断応力も低減させることができる。即ち、本実施形態の電磁拡管成形用インダクタによれば、コイルの外径が一定である区間において、十分な成形力を得て拡管しつつ、コイルの外径を軸方向に小径化した区間において、コイルに作用する電磁反力を低減し、導体素線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）とボビン２（軸部）との界面に発生する剪断応力を低減させることができる。

導体素線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）とボビン２（軸部）との界面に発生する剪断応力の低減効果は、コイルに作用する電磁反力を低減させることに加え、厳密には、コイル導線４間に介在しているガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）同士の接触界面（図１の領域Ａ）において、剪断応力の向きが電磁反力に対して逆転することからも得られる。即ち、図１の断面図において、１箇所の導線４に着目したときに、コイル軸方向の端部側（図１における上側）に位置するガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）同士の接触界面に作用する（半径方向の）剪断応力は、インダクタの外側から中心軸側に向けて作用し、その逆側（図１における下側）に位置する樹脂含浸層同士の接触界面に作用する（半径方向の）剪断応力は、インダクタの中心軸側から外側に向けて作用する。また、樹脂含浸層同士の接触界面に作用する（半径方向の）剪断応力は、コイル軸方向の外方にいくにつれて減少する。これにより、１ヵ所の導線４に着目したときに、コイルの半径方向に作用する剪断応力の合力は、電磁反力の方向に対して逆向き、即ち、インダクタの中心軸側から外側に向けて作用し、その結果、インダクタの外側から中心軸側に作用する電磁反力を低減させることができる。

以上説明したように、本実施形態においては、コイルの外径が一定である区間において、十分な成形力を得て拡管しつつ、コイルの外径を小径化した区間において、コイルに作用する電磁反力を低減し、導体素線４の周囲の樹脂含浸被覆層（ガラスクロステープ６）と軸部（ボビン２）との界面に発生する剪断応力を低減させることができる。これにより、繰り返し使用によっても電磁成形用コイルを破損する虞が極めて少なくなる。その結果、電磁成形用コイルを長寿命化することができる。

また、本実施形態の電磁拡管成形用インダクタにおいては、コイルの外径が一定である区間において、その半径方向の外側に被拡管部材を配置して拡管することにより、被拡管部材に電磁力を確実に作用させ、拡管することができる。そして、電磁拡管成形用インダクタに投入された投入エネルギーに対して、使用する成形エネルギーの割合を向上させることができ、従来構造の電磁拡管成形用インダクタに比して、効率のよい拡管成形を行うことができる。

次に、図４に示す従来構造の電磁拡管成形用インダクタについて、剪断応力と成形可能寿命との関係について説明する。従来構造の電磁拡管成形用インダクタへの通電時に、軸部（ボビン２）と導線周囲の被覆含浸層（ガラスクロステープ６）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚを、有限要素法による数値解析によって求めた。

図６は、従来構造の電磁拡管成形用インダクタについて、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０を横軸にとり、成形可能寿命比β／αの対数値を縦軸にとって、両者の関係を示すグラフ図である。なお、τ_０は、従来の電磁拡管成形用インダクタにおいて、通電時にコイル導線間に介在している樹脂含浸被覆層同士の接触界面（図４の領域Ｂ）に生じる剪断応力、τ_ｒｚは、従来の電磁拡管成形用インダクタにおいて、通電時に軸部と導線周囲の被覆含浸層との界面に生じる剪断応力である。また、α，βは、従来構造の電磁拡管成形用インダクタにおいて、通常の使用条件で使用したときの成形可能寿命であり、αは電磁拡管成形用インダクタの採算を確保することができる基準値としての成形可能寿命、βは電磁拡管成形用インダクタの成形可能寿命の平均値を示す。なお、図６においては、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０の値が０．８６及び１であるときの夫々において、電磁拡管成形用インダクタの成形可能寿命βのばらつきを前記基準値αに対する比として垂直細線にて示してある。電磁拡管成形用インダクタにおいては、ガラスクロステープ同士の境界に生じる空隙から亀裂が生じ、通電時のインダクタ導線の振動によりこの亀裂が拡大して変形及び破損が生じる。一般に、繰り返し荷重による疲労破壊においては、応力振幅Ｓと応力付加回数Ｎ（インダクタでは通電回数に相当）との間に、Ｋを定数として、下記数式１の関係がある。そして、応力振幅Ｓは剪断応力τに比例し、応力付加回数Ｎは成形可能寿命βに比例する。従って、従来の電磁拡管成形用インダクタにおける剪断応力値τ_０を基準値としたときの軸部と導線周囲の被覆含浸層との間に生じる剪断応力値τ_ｒｚの比τ_ｒｚ／τ_０は、採算を確保することができる成形可能寿命αを基準としたときの成形可能寿命βの比β／αの対数に比例する。図６における実線は、成形可能寿命比β／αの平均値と剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０との関係を示す。また、破線は、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０が１のときに成形可能寿命βのばらつきの中で最小（β＝０．４５α）となる点を起点とし、実線と同じ傾きで直線を延長したものである。

図６に示すように、電磁拡管成形用インダクタは、内部に生じる空隙のために寿命のばらつきが大きく、従来の電磁拡管成形用インダクタ（τ_ｒｚ／τ_０＝１）においては、成形可能寿命が採算を確保することができる寿命の０．４５倍であるものも存在している。しかしながら、電磁拡管成形用インダクタの寿命が短いと、加工コストが増大するため、成形可能寿命を採算が確保することができる寿命まで向上させることは極めて重要である。図６に示すように、剪断応力τ_ｒｚを低減すると、成形可能寿命βを高めることができ、成形可能寿命βが最小（β＝０．４５α）である従来の電磁拡管成形用インダクタにおいても、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０を１９％低減すれば（τ_ｒｚ／τ_０＝０．８１）、成形可能寿命βを採算が確保することができる値（β／α＝１）まで高めることができる。τ_ｒｚ／τ_０を低減するためには、具体的にはインダクタ半径、通電電圧、又はコンデンサ容量を小さくすればよい。

次に、本実施形態の電磁拡管成形用インダクタについて、有限要素法により剪断力を数値解析した結果について説明する。図２に示すように、軸方向の外方にいくにつれて外面の直径が小径化された外側樹脂含浸層７において、外面が小径化されていない区間における直径をｒ、最小外径をｔとしたときに、外面が小径化されていない区間における直径ｒに対する最小外径ｔの比ｔ／ｒをパラメータとして、有限要素法による数値解析を行い、通電時にボビン２（軸部）と導線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚを求めた。この有限要素法による数値解析では、各構成要素の縦弾性係数を、夫々軸部が３０ＧＰａ、導線周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）が１６ＧＰａ、導体（導体素線４）が１１８ＧＰａとした。また、被成形体２０と電磁拡管成形用インダクタ１との間隔を、外側樹脂含浸層７の中央部、即ち外面が小径化されていない区間における外径ｒを基準として０．００９ｒとした。

図３はτ_ｒｚ／τ_０を縦軸にとり、ｔ／ｒを横軸にとって、両者の関係を示すグラフ図である。図３に、外面が小径化されていない区間における直径ｒに対する最小外径ｔの比ｔ／ｒの値が０．７６の場合と０．６４の場合とにおいて、有限要素法による剪断力の数値解析結果を示す。なお、τ_０は、ボビン２（軸部）が円柱状に形成され、従ってその外側に巻き付けられた外側樹脂含浸層７の外面の直径が軸方向に一定である場合（ｔ＝ｒ、図５参照）において、通電時にボビン２（軸部）と導線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）との界面に生じる剪断応力である。なお、この図３において、外側樹脂含浸層７の厚さは一定（前記直径ｒの０．０２４倍）とした。また、矩形断面を有する導線４のコイル軸方向外方側の端部において、導線４の中心から外側樹脂含浸層７の外面までの距離を一定（前記外径ｒの０．０６７倍）とした。図３に示すように、外側樹脂含浸層７の最小外径ｔの減少に伴って、通電時にボビン２（軸部）と導線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚが低下することが分かる。

図７は、図２に示す本実施形態の電磁拡管成形用インダクタにおいて、コイルの端部の導線４の中心から被成形体２０までの半径方向の距離ｒ_１を種々変化させた場合に、距離ｒ_１と外側樹脂含浸層の中央部（外面が小径化されていない区間）の直径ｒとの比ｒ_１／ｒをパラメータとしたときの、剪断応力比τ_ｒｚ／τ_０の変化を示す。なお、図７においては、前記比ｒ_１／ｒを２乗した値の逆数を横軸に示している。電磁力は距離の２乗に反比例するため、導線４が被成形体２０から受ける電磁反力は、導線４と被成形体２０との間の距離の２乗に反比例する。また、ボビン２（軸部）と導線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚは導線４が被成形体２０から受ける電磁反力に比例すると考えられる。従って、ボビン２（軸部）と導線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚも導線４と被成形体２０との間の距離の２乗に反比例すると考えられる。図７より、種々の距離ｒ_１に対して、ボビン２（軸部）と導線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚが、導線４と被成形体２０との間の距離の２乗に反比例していることが分かる。これより、ボビン２（軸部）と導線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚを低減するためには、導線４の位置を被成形体２０から遠ざければよいことが分かる。

以上より、電磁拡管成形用インダクタにおいて、ボビン２（軸部）と導線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）との界面に生じる剪断応力を低減するためには、外側樹脂含浸層の（端部における）最小外径ｔを小さくすると共に、導線４の位置を被成形体２０から遠ざければよい。図７より、電磁拡管成形用インダクタにおいて、ボビン２（軸部）と導線４の周囲のガラスクロステープ６（樹脂含浸被覆層）との界面に生じる剪断応力τ_ｒｚを１９％以上低減する（τ_ｒｚ／τ_０が０．８１以下）ためには、前記比ｒ_１／ｒを２乗した値の逆数が６６．４以下（比ｒ_１／ｒが０．１２３以上）であればよいことが分かる。上述の如く、矩形断面を有する導線４のコイル軸方向外方側の端部において、導線４の中心から外側樹脂含浸層７の外面までの距離は、前記外径ｒの０．０６７倍であり、被成形体２０と電磁拡管成形用インダクタ１との間隔は前記外径ｒの０．００９倍である。従って、図７において、比ｒ_１／ｒの値を０．１２３以上とするためには、ｔ＝ｒ−２×（ｒ_１−０．０６７ｒ−０．００９ｒ）より、外側樹脂含浸層の最小外径ｔと外面の直径が小径化されていない区間における直径ｒとの比ｔ／ｒを０．９１以下とすればよい。

このように、外側樹脂含浸層の最小外径ｔを小さくし、導線４の位置を被成形体２０から遠ざけるには、具体的には、例えば軸部２の外面を、その両端部において、外径が軸方向の外方にいくにつれて小さくなるように傾斜して設けるか、又は導体４の断面形状が矩形である場合には、その矩形断面の形状に合わせて、軸部２の外面を軸方向の外方にいくにつれて外径が小径化するように段差状に設ければよい。そして、この傾斜状に形成されるか、又は段差状に設けられた軸部２の形状に合わせて導線４をコイル状に巻回し、コイルの上から更に樹脂含浸性の例えばガラスクロスを巻回した後、樹脂を含浸する。このとき、導線４の形状により、外側樹脂含浸層７の外表面に凹凸が形成されないように、ガラスクロスの巻回時に導線４上への巻き数を調整すればよい。

なお、本実施形態においては、ボビン２として絶縁性樹脂を使用している。ボビン２の材質に求められる特性としては、例えば高絶縁性、高強度、高切削加工性及び外表面含浸樹脂との親和性等がある。ここで、本実施形態によれば、樹脂が導体周囲全面に含浸され強固に固定されているので、ボビン２に使用する樹脂として多様な材料を用いることができる。例えば、本実施形態では導体素線４とその周囲の含浸層（ガラスクロステープ６、ガラスクロス７及び樹脂）との一体性が高いため、ボビン２はガラスクロス７（外表面含浸樹脂層）との親和性がやや低い材料であってもよい。そのため、ボビン２に低コストの材料を用いることができる。

また、本実施形態においては、導体素線４は矩形断面を有しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば導体素線４が円形断面を有していてもよく、電磁反力及び剪断応力を低減させて、電磁拡管成形用インダクタを長寿命化することができる。

１：電磁拡管成形用コイル、２：ボビン、３：ガラスクロステープ、４：導体、５：中空部、６：ガラスクロステープ、７：ガラスクロス、８：樹脂、１０１：電磁拡管成形用コイル

Claims

軸部と、この軸部の周面に巻回されたコイルと、このコイルの外周を被覆する外側樹脂含浸層と、を有し、前記コイルは、導線に第１の樹脂含浸性繊維層が被覆されこの第１の樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂が含浸されて構成されており、前記外側樹脂含浸層は、絶縁性樹脂を含浸させた第２の樹脂含浸性繊維層からなり、前記コイルは、その外径が前記軸部の両端部において軸方向の外方にいくにつれて小径化されていて、前記コイルの外径が前記軸部の軸方向に小径化されている区間が、その半径方向外側に被拡管部材が位置しないように配置されることを特徴とする電磁拡管成形用インダクタ。
前記第１及び第２の樹脂含浸性繊維層は、ガラスクロステープにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁拡管成形用インダクタ。
前記外側樹脂含浸層は、前記コイルの外径が小径化されている区間において、前記軸部の軸方向の外方にいくにつれて外径が小径化されており、前記外側樹脂含浸層の外面の小径化されていない区間における直径をｒ、前記外側樹脂含浸層の最小外径をｔとしたときに、前記小径化されていない区間における直径ｒに対する前記最小外径ｔの比ｔ／ｒが０．９１以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁拡管成形用インダクタ。
導線に第１の樹脂含浸性繊維層を被覆し、この第１の樹脂含浸繊維層に絶縁性樹脂を含浸させる工程と、両端部が夫々軸方向の外方にいくにつれて小径化されている軸部の周面に前記樹脂含浸後の導線を軸方向に同一巻き数で巻回してコイルを形成する工程と、前記コイルの外周に第２の樹脂含浸性繊維層を被覆する工程と、前記第２の樹脂含浸性繊維層に絶縁性樹脂を含浸させる工程と、を有し、前記コイルの外径が前記軸部の軸方向に小径化されている区間が、その半径方向外側に被拡管部材が位置しないように配置されるインダクタを製造することを特徴とする電磁拡管成形用インダクタの製造方法。