JP5884637B2

JP5884637B2 - 積層コイル製造方法

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Publication number: JP5884637B2
Application number: JP2012120305A
Authority: JP
Inventors: 昌司西川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP2013247255A

Description

本発明は、積層コイルを形成する方法に関し、詳しくは平角導体をエッジワイズ曲げ加工してコイルを積層形成する際に、先に巻回されたコイルが振れて変形することを防ぐために、形成されたコイルを支持する方法に関する。

バッテリーとインバータの間に位置する昇圧コンバータに搭載されているリアクトルは、ハイブリッドカーや電気自動車の開発競争が行われている昨今、更なる性能の向上を求められるようになって来ている。リアクトルは、エネルギーの蓄積と放出とを交互に行う事で電圧を変換する機能を有しており、車載される以上は小型化及び高出力化が求められる。リアクトルの小型化及び高出力化を図るにあたり、リアクトルに用いるコイルに、平角導体を用いてエッジワイズ曲げ加工したコイルを使用することが検討されている。

特許文献１には、巻線装置についての技術が開示されている。送り機構と曲げ機構を備え、曲げ機構によって、平角導体のエッジワイズ曲げ加工を行い、コイル形成する装置である。この巻線装置に振れ止め機構を備えることで、平角導体を巻回する際にコイルが振れるのを抑制している。振れ止め機構は、曲げ機構の上部からコイル内周部を支持する為の振れ止め治具をコイル内周部に挿入し、平角導体の巻回と同期して回動することでこれを実現している。

特許文献２には、エッジワイズコイルの巻線方法及び巻線装置についての技術が開示されている。予め設定した長さ毎に送り出される平角線の折り曲げ部分を折り曲げ手段としてのメインクランプの支点部材とベンダとにより保持し、折り曲げ手段に連なる平角線の供給側を固定した状態で、ベンダを支点部材周りに回転させることにより保持した平角線を折り曲げて、エッジワイズコイルを形成する。この際に、形成されるエッジワイズコイルの内周側にコイルガイドを係合させ、平角線の送り出し動作によるエッジワイズコイルの移動に追従してコイルガイドを移動させる。そして、折り曲げ動作に伴ってコイルガイドを回転させつつ移動するエッジワイズコイルの移動に追従させてコイルガイドを回転させつつ移動させている。この様にすることで、コイル巻回時に生じるコイルのふらつきや揺れを抑えることが出来る。

上記の特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、略第形状に巻回されるコイルを形成する方法を示しており、自動車の駆動に用いるモータに採用される技術だと推測されるが、リアクトル用のコイルにも採用が可能だと思われる。ただし、リアクトルには左右１対のコイルを用いられ、コイル同士はバスバなどを用いて接合されるケースが多い。特許文献３にはリアクトルに用いるコイルに関する技術が開示されているが、隣り合うコイルをバスバで溶接する技術が開示されている。しかし、この手法では溶接の手間や溶接部分の抵抗が高くなるなどの問題があるため、一本のコイルを巻回して２つのコイル要素を形成し、１方のコイル要素を折り返して２つのコイル要素が並ぶような構成となっている。

特開２００９−１３５２２２号公報特開２００９−３０２２４５号公報特開２００４−５５９２０号公報

しかしながら、特許文献１又は特許文献２に開示される装置を用いて、特許文献３に示される様なリアクトルに用いる積層コイルを形成するには、以下に説明する課題があると考えられる。

特許文献１及び特許文献２に開示される技術は、積層数のさほど多くない積層コイルの形成を前提にされている。このため、リアクトルに用いる積層コイルを特許文献１及び特許文献２に開示の技術を用いて形成する際には、２つの積層コイルを用意して、それぞれをバスバで結合する必要があると考えられる。しかし、この様なバスバでの接合は、特許文献３の課題に示される通り、リアクトルの小型化の阻害要因になると考えられる。即ち、バスバと接合するためにコイルから引き出すリード部分が、リアクトルの体格を大きくする要因となる虞がある。

しかし、例えば特許文献３に示される様な、偏芯した積層コイルを製造するにあたって、特許文献１や特許文献２に記載の技術を用いた場合、先に形成されたコイル要素に変形が生じる恐れがある。これは、特許文献１及び特許文献２に記載のコイルを支持する部材が、単にコイルの内側に挿入されるだけの構成である為、偏芯したコイル要素の変形を抑制しきれないと考えられるためである。具体的には、積層コイルが、第１コイル要素と偏芯した位置に形成される第２コイル要素とを有して、先に第２コイル要素を形成した場合、後に第１コイル要素を巻回する際に、第２コイル要素に重力や慣性力が作用して、垂れ下がりや振動による変形を生じる虞がある。これは、特許文献１又は特許文献２では、特許文献３に記載したような偏芯した積層コイルを作る事を前提として考えられていない為であり、結果、積層コイルの形状精度を高めることは困難であると考えられる。このような状況は、第１コイル要素と第２コイル要素とが偏芯していなくても、積層コイルの積層数が増えれば、似たような状況が生ずる虞がある。

積層コイルの形状精度を高められず、積層される平角導体Ｈの間に隙間が出来たり、或いは積層コイルと芯金との間に隙間が生じたり、といった状況となると、リアクトルの出力向上の低下や、リアクトルの大型化に繋がる事も考えられる。また、この様なコイルに生じた塑性変形を修正する工程を追加すると、積層コイルの製造コストが上がってしまう問題もある。また、塑性変形した金属を修正するためには逆方向に変形させる力を作用させる必要があるが、巻回された後のコイルにこのような力を作用させることは困難である。よって、リアクトルに用いる積層コイルの巻回時における形状精度の向上が図られることが望ましい。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、積層コイルの変形抑制が可能な積層コイル製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様による積層コイル製造方法は、以下のような特徴を有する。

（１）一本の導体を用い、前記導体を巻回手段により同一巻方向に巻回されて積層形成し、積層コイルを製造する積層コイル製造方法において、前記巻回手段によって巻回された前記積層コイルを、把持手段にて把持し、前記巻回手段の巻回動作と同期して、前記把持手段を移動させ、又、前記積層コイルの積層と同期して、前記把持手段を前記積層コイルの積層方向に移動すること、を特徴とする。

上記（１）に記載の態様により、積層巻回される積層コイルを、把持手段を用いて保持し、把持手段を巻回手段の巻回動作と同期して移動させている。この結果、順次積層されていく積層コイルが巻回手段の動作の影響によって振動することを防ぐことが可能となる。また、把持手段には積層コイルの積層方向に移動する機構を有しているので、積層コイルを比較的早い段階から保持可能であり、積層コイルを巻回形成時に発生する積層コイルの振動を適切に保持可能である。積層コイルは把持手段によって確実に把持され、また、把持手段は巻回手段に同期するので、積層コイルの振動の発生は最低限に抑えられる。

積層コイル巻回時の振動の発生が最低限に抑えられることで、特許文献１や特許文献２に記載の技術を用いて積層コイルを巻回する際よりも、より確実に積層コイルの塑性変形を抑えることが可能となる。よって、積層コイルの変形抑制が可能な積層コイル製造方法を提供することが可能となる。

（２）（１）に記載の積層コイル製造方法において、前記積層コイルは、前記巻回手段に巻回される第１コイル要素と、前記巻回手段にすでに巻回され前記第１コイル要素と偏芯された位置で前記把持手段に把持される第２コイル要素と、を有し、前記把持手段は、前記巻回手段の巻回動作と同期して、前記第１コイル要素と前記第２コイル要素との位置関係が変わらないように移動すること、を特徴とする。

上記（２）に記載の態様により、積層コイルを形成する第１コイル要素と、第１コイル要素と中心が偏芯された位置に形成される第２コイル要素とが巻回されるにあたり、第２コイル要素が把持手段によって把持されており、巻回手段の巻回動作に同期して把持手段が移動するので、偏芯されて形成される第２コイル要素が重力に負けて垂れ下がる、などといった変形を抑えることが可能となる。特許文献３に示されたような偏芯コイルを形成するにあたり、その製造方法が特許文献３には開示されていないため、本発明によってこうした偏芯した積層コイルの製造を実現する積層コイルの製造方法を提供することが出来る。

本実施形態の、リアクトルの平面概念図である。本実施形態の、コイルの斜視図である。本実施形態の、コイル素体の斜視図である。本実施形態の、巻回装置の側面概念図である。本実施形態の、支持機構の斜視概念図である。本実施形態の、コイル素体をチャックする様子を示した斜視図である。本実施形態の、巻回時の巻回機構部を示す平面図である。本実施形態の、第２コイル要素の形成過程を示す平面図である。本実施形態の、第２コイル要素の形成過程を示す平面図である。本実施形態の、第１コイル要素と第２コイル要素との接続部の形成過程を示す平面図である。本実施形態の、第１コイル要素の第１角曲げ工程を示す平面図である。本実施形態の、第１コイル要素の長辺送り工程を示す平面図である。本実施形態の、第１コイル要素の第２角曲げ工程を示す平面図である。本実施形態の、第１コイル要素の短辺送り工程を示す平面図である。本実施形態の、第１コイル要素の第３角曲げ工程を示す平面図である。本実施形態の、第１コイル要素の長辺送り工程を示す平面図である。本実施形態の、第１コイル要素の第４角曲げ工程を示す平面図である。本実施形態の、第２コイル要素の形成過程を示す斜視図である。本実施形態の、第２コイル要素が巻回された様子を示す斜視図である。本実施形態の、第１コイル要素と第２コイル要素との接続部の形成過程を示す斜視図である。本実施形態の、第１コイル要素の第１角曲げ工程を示す斜視図である。本実施形態の、第１コイル要素の長辺送り工程を示す斜視図である。本実施形態の、第１コイル要素の第２角曲げ工程を示す斜視図である。本実施形態の、第１コイル要素の短辺送り工程を示す斜視図である。本実施形態の、第１コイル要素の第３角曲げ工程を示す斜視図である。本実施形態の、第１コイル要素の長辺送り工程を示す斜視図である。本実施形態の、第１コイル要素の第４角曲げ工程を示す斜視図である。本実施形態の、第２コイル要素の軌跡を示す平面図である。

まず、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

図１に、本実施形態のリアクトル１０の平面概念図を示す。図２に、コイル２０の斜視図を示す。リアクトル１０は、コア１１及びコイル２０を有している。コア１１は積層鋼板或いは圧粉体を用いて形成されている。コイル２０は、図２に示される様に第１コイル要素２１及び第２コイル要素２２からなる、平角導体Ｈがエッジワイズ曲げ加工されて巻回されたものである。平角導体Ｈは矩形断面を有しており、銅やアルミニウム等の導電性の高い金属よりなるものである。平角導体Ｈの外周には絶縁被覆が施されている。

図３に、コイル素体３０の斜視図を示す。コイル２０は、第１コイル要素２１及び第２コイル要素２２の２つの部分からなり、第１コイル要素２１と第２コイル要素２２は接続部分２３で接続されている。第１コイル要素２１、接続部分２３及び第２コイル要素２２は、１本の平角導体Ｈで形成されており、図３に示される様な状態のコイル素体３０を折り曲げて形成されている。コイル素体３０は、第１コイル要素２１と第２コイル要素２２が９０度異なる状態で巻回されたものである。すなわち、第１コイル要素２１と第２コイル要素２２とは、偏芯した状態に形成されている。このような偏芯した２つのコイル要素を有するコイル素体３０のうち、第２コイル要素２２を図３の矢印の方向に曲げることで、図２に示すようなコイル２０が形成される。

次に、コイル素体３０を形成する、巻回装置について図を用いて簡単に説明をする。図４に、巻回装置１００の側面概念図を示す。図５に、支持機構１１０の斜視概念図を示す。なお、図４には説明の都合で支持機構１１０を省いて描かれている。巻回装置１００は、支持機構１１０と送り機構部１２０、保持機構部１３０、巻出機構部１４０、及び巻回機構部１５０を備えている。巻出機構部１４０に備えられたボビン１４１には平角導体Ｈがフラットワイズ方向に巻回されている。送り機構部１２０に備えられる送りクランプ１２１は送りクランプ１２１を台形ネジ１２３及びモータ１２２によって移動させ、送りクランプ１２１で平角導体Ｈをクランプして所定距離送ることで、ボビン１４１より平角導体Ｈを引き出すことが可能である。引き出された平角導体Ｈは癖取りローラ１３２で直進するように矯正される。

保持機構部１３０は、保持クランプ１３１によって平角導体Ｈをクランプする機構であり、送りクランプ１２１のアンクランプ時に平角導体Ｈが移動しないように保持する機能を有している。巻回手段に相当する巻回機構部１５０は、平角導体Ｈをエッジワイズ曲げ加工する機能を有している。センターポスト１５１はベース１５８の内部から突出する形で備えられており、先端にクランプ部分が設けられているので、平角導体Ｈはこのセンターポスト１５１に設けられるクランプ部分とベース１５８の表面とで保持される。センターポスト１５１が平角導体Ｈの内周側をクランプした状態で、曲げ治具１５２がセンターポスト１５１を中心に回転をして、平角導体Ｈをエッジワイズ曲げ加工する。曲げ治具１５２については、後述する図７等に関する記載を参照のこと。

支持機構１１０は、図５にその斜視概念図が示されており、巻回装置１００の巻回機構部１５０側に配置される。支持機構１１０には、Ｘ軸駆動機構１１１、Ｙ軸駆動機構１１２、Ｚ軸駆動機構１１３、回転機構１１４及び保持チャック１１５が備えられている。Ｘ軸駆動機構１１１とＹ軸駆動機構１１２は直交して設けられ、それぞれサーボモータが備えられて任意の位置で保持チャック１１５を移動させることが可能である。Ｚ軸駆動機構１１３もＸ軸駆動機構１１１及びＹ軸駆動機構１１２と直交して設けられ、サーボモータが備えられて任意の位置に把持手段に相当する保持チャック１１５を移動させることが可能である。そして、Ｚ軸駆動機構１１３の先端に設けられている回転機構１１４は保持チャック１１５を回転させ、任意の位置で停止することが出来る。

図６に、コイル素体３０をチャックする様子を斜視図に示す。保持チャック１１５は先端に爪部１１６を２つ開閉可能に備えている。保持チャック１１５は空圧で制御され、爪部１１６の開端でコイル素体３０の第２コイル要素２２を内側から把持することが出来る。爪部１１６の素材は、コイル素体３０の表面を極力傷つけない加工、素材を選択されることが望ましい。

次に、コイル素体３０の巻回時の挙動を説明する。図７に、巻回時の巻回機構部１５０の平面図を示す。図８乃至図１０に、第２コイル要素２２の形成過程を平面図に示す。図１１乃至図１７に第１コイル要素２１の形成過程を平面図に示す。平角導体Ｈをエッジワイズ曲げ加工するにあたり、図７等に示される様に、ベース１５８の上面にセンターポスト１５１によって平角導体Ｈがクランプされる。そして、センターポスト１５１を中心に平角導体Ｈの側面を曲げ治具１５２が押圧しながら回転することで、平角導体Ｈはエッジワイズ曲げ加工される。

平角導体Ｈのエッジワイズ曲げ加工を繰り返して、積層巻回した第２コイル要素２２は、図８及び図９に示される様に形成される。その後、図１０に示される様に平角導体Ｈが所定距離送られ、第１コイル要素２１と第２コイル要素２２との間に形成される接続部分２３の部分を確保する。そして、図１１乃至図１６に示される様に、平角導体Ｈのエッジワイズ曲げ加工を順次繰り返し、図１７に示される様な状態の第１コイル要素２１を形成する。第１コイル要素２１の形成過程は、第２コイル要素２２の形成過程と同様に、センターポスト１５１で平角導体Ｈをクランプし、センターポスト１５１を中心に曲げ治具１５２を回転移動させることで、平角導体Ｈをエッジワイズ曲げ加工するというものである。

こうして、第１コイル要素２１及び第２コイル要素２２を形成して、図３に示される様なコイル素体３０を形成するが、第２コイル要素２２を巻回後、第１コイル要素２１を巻回する際に、第２コイル要素２２を図５に示される支持機構１１０の保持チャック１１５にて保持する必要がある。この様子について、図１８乃至図２７に示す。図１８は、図７に対応する斜視図であり、図１９は図９に、図２０は図１０に、図２１は図１１に、図２２は図１２に、図２３は図１３に、図２４は図１４に、図２５は図１５に、図２６は図１６に、図２７は図１７に対応した斜視図である。

第２コイル要素２２は、図２０の段階で、支持機構１１０の爪部１１６が内部に挿入される。そして、爪部１１６が保持チャック１１５の開端まで移動することで、内径把持する。この後、平角導体Ｈが巻回されるにしたがって、第２コイル要素２２が第１コイル要素２１の外側を略円状の軌跡を描いて移動することになるので、保持チャック１１５もそれにあわせて移動する。図２８に、第２コイル要素２２の中心の軌跡を示した平面図を示す。

第２コイル要素２２の中心の軌跡は、第１ステップＳ１から第８ステップＳ８を結んだものである。第１ステップＳ１から第２ステップＳ２と、及び第５ステップＳ５から第６ステップＳ６が長辺送りを示し、第３ステップＳ３から第４ステップＳ４と、第７ステップＳ７から第８ステップＳ８が短辺送りを示す。そして、第２ステップＳ２から第３ステップＳ３、第４ステップＳ４から第５ステップＳ５、第６ステップＳ６から第７ステップＳ７、第８ステップＳ８から第１ステップＳ１は、エッジワイズ曲げ加工時の軌跡を示している。第２コイル要素２２の中心の軌跡は、すなわち保持チャック１１５の中心の軌跡と等しい。

第１ステップＳ１から第８ステップＳ８を経ることで、第１コイル要素２１の１層分を巻回することができる。そして、次の第１ステップＳ１から第８ステップＳ８で２層目の巻回を始めることになるが、この際には第２コイル要素２２の高さを平角導体Ｈの厚み分だけ高い位置で保持する必要がある。したがって、第１コイル要素２１を巻き進むにあたって、保持チャック１１５の位置もＺ軸駆動機構１１３によって順次上昇させる必要がある。このように保持チャック１１５を動作させることで、第１コイル要素２１を巻回するにあたって第２コイル要素２２を変形させずにコイル素体３０を形成することができる。

コイル素体３０は、図４に示される様な形状に形成される為、その後、第２コイル要素２２の位置を第１コイル要素２１と並行に並ぶように折り曲げることで、図２に示すような形状に成形することが可能となる。このコイル素体３０をコア１１に組み付けることで、図１に示すようなリアクトル１０が形成される。

本実施形態は、上記構成でコイル素体３０が製造されるため、以下に示す作用及び効果を奏する。

まず、効果としてコイル素体３０の変形の抑制が可能となる点が挙げられる。これは、一本の平角導体Ｈを用い、平角導体Ｈを巻回機構部１５０により同一巻方向に巻回されて積層形成し、コイル素体３０を製造する積層コイル製造方法において、巻回機構部１５０によって巻回されたコイル素体３０を、保持チャック１１５にて把持し、巻回機構部１５０の巻回動作と同期して、保持チャック１１５を移動させ、又、コイル素体３０の第１コイル要素２１の積層と同期して、保持チャック１１５をコイル素体３０の積層方向に移動することで実現される。

具体的には、コイル素体３０は、巻回機構部１５０に巻回される第１コイル要素２１と、巻回機構部１５０にすでに巻回され第１コイル要素２１と偏芯された位置で保持チャック１１５に把持される第２コイル要素２２と、を有し、保持チャック１１５は、巻回機構部１５０の巻回動作と同期して、第１コイル要素２１と第２コイル要素２２との位置関係が変わらないように移動している。この様子は、図２０乃至図２７及び図２８に示す通りである。

保持チャック１１５の動作は、図５に示されるように配置されたＸ軸駆動機構１１１、Ｙ軸駆動機構１１２、Ｚ軸駆動機構１１３及び回転機構１１４によって実現され、それぞれが図示しない制御装置に接続されて制御されている。保持チャック１１５によって、第２コイル要素２２の内径側から保持し、巻回機構部１５０の巻回動作にあわせて保持チャック１１５を動作させる。また、第１コイル要素２１が巻き進んだ際には、Ｚ軸駆動機構１１３によって第１コイル要素２１の積層方向に保持チャック１１５を上昇させる。このような保持チャック１１５の動きによって、第１コイル要素２１と第２コイル要素２２の関係を、図４に示すような状態に保って巻回することができる。すなわち、既に巻回された第２コイル要素２２が第１コイル要素２１の巻回中に、巻回機構部１５０の動作によって発生する慣性力や重力の作用によって変形することを防ぐことが可能となる。

この結果、図２に示される様な形状にコイル素体３０が形成された際に、第１コイル要素２１及び第２コイル要素２２の平角導体Ｈ同士の隙間を極力抑えることができ、結果的に、コイル素体３０を用いるリアクトル１０の出力向上や小型化に貢献することが可能となる。また、コイル素体３０の形成精度を高めることが出来ることで、組み付け性を向上させ、リアクトル１０の製造コストの削減に貢献することが可能となる。

以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。例えば、コイル素体３０の形状について、第１コイル要素２１と第２コイル要素２２とが９０度向きが異なる形状に形成されているが、これに限定される必要は無い。例えば、第１コイル要素２１と第２コイル要素２２とが並行に並んだ状況にて巻回される特許文献３に示される様なコイル素体の態様にも対応し得る。

また、第１コイル要素２１と第２コイル要素２２の関係のように、明確に２つの要素に分離しないコイル素体３０の支持を保持チャック１１５で行う事も可能である。平角導体Ｈを巻回積層すると、先に巻回が終わった部分に慣性力が作用してコイル素体３０が変形する虞がある。したがって、これを支持するのに支持機構１１０の構成を用いることを妨げない。また、同様にして第２コイル要素２２を巻回中に、保持チャック１１５で第２コイル要素２２の一部を支持することを妨げない。保持チャック１１５によって支持することで、積層形成したコイル素体３０の巻回時に生じる変形を防ぐことが可能となる。

１０リアクトル
１１コア
２０コイル
２１第１コイル要素
２２第２コイル要素
２３接続部分
３０コイル素体
１００巻回装置
１１０支持機構
１１１Ｘ軸駆動機構
１１２Ｙ軸駆動機構
１１３Ｚ軸駆動機構
１１４回転機構
１１５保持チャック
１２０送り機構部
１３０保持機構部
１４０巻出機構部
１５０巻回機構部
Ｈ平角導体

Claims

一本の導線を用い、前記導線を巻回手段により同一巻方向に巻回して積層形成し、積層コイルを製造する積層コイル製造方法において、
前記巻回手段にて、前記積層コイルに含まれる第２コイル要素を巻回し、
前記第２コイル要素にその一端が接続する接続部を、前記導線を所定距離送ることで形成し、
前記接続部の他端が接続する第１コイル要素が形成される際に、前記第１コイル要素と偏芯された位置で前記第２コイル要素を把持手段によって把持し、
前記巻回手段の巻回動作と同期して、前記把持手段を移動させ、又、前記積層コイルの積層と同期して、前記把持手段を前記積層コイルの積層方向に移動すること、
を特徴とする積層コイル製造方法。
請求項１に記載の積層コイル製造方法において、
前記把持手段は、前記巻回手段の巻回動作と同期して、前記第１コイル要素と前記第２コイル要素との位置関係が変わらないように移動すること、
を特徴とする積層コイル製造方法。