JP6640008B2 - 多重多相コイル - Google Patents

Description

本発明は、磁路長が短く“電流”と“磁束”の変換効率が高い多重多相コイルに関するものである。

電線をフェライト等といった磁性材料製の磁心の上に巻回してなる“コイル”は電流Ｉと磁束Φとの変換を行う電子部品であるが、多相電流に対応するにはその相数に応じた数のコイルを構成部材としたものが用いられる。

例えば、電源として多く用いられる三相交流電流に対しては負荷に３個のコイルを使った多相コイルが適用されているが、それら３個のコイルは何れも電気特性（磁束，電気抵抗）が同じものである必要がある。
なお、電気特性が同じコイルを作成するためには、基準となるコイル（単位コイル）と磁心，電線（コイル線）の径，電線の巻き枠，巻方向，巻数などの仕様が同じくなるように留意した管理が行われる。

また、例えば特許文献１にも紹介されている「巻線型コモンモ−ドチョ−クコイル」は一体型の磁心上に２個のコイルを並べて巻回した構造の二相コイル部品であって、一体型の磁心を用いているためコイルの形態や作成手数の単純化が確保されるものではあるが、やはり磁心に巻回される２個のコイルのそれぞれが同じ電気特性となるように電線径，電線の巻方向，巻数などの仕様を管理することが重要である。

ただ、それぞれ異なる相の電流を通すための“電線径，電線の巻方向，巻数などの仕様を同じくしたコイル”の複数個を一体化した従来の多相コイルでは、巻線が磁心の長手方向に沿ってそれぞれの巻き付きスペ−スを占拠した形態をとることからコイル軸方向の磁路長（磁心長）が相の数に比例して長くなり、そのため磁気抵抗が大きくなるというコイル性能にとって不利な状態がもたらされていた。

即ち、コイルには電流Ｉと磁束Φとの変換効率が高いことが望まれるが、コイル線（電線）には電気抵抗Ｒが存在し、磁心には磁気抵抗Ｒｍが存在していて、これが前記変換効率を阻害する要因となっている。
因みに、磁心の上に電線をｎ回巻回したコイルの“電流Ｉと磁束Φの関係”は次式で表される。
Φ＝ｎ×Ｉ／Ｒｍ
（磁路の断面積をＡ、磁路長をｌ、透磁率をμとするとＲｍ＝ｌ／μ／Ａとなる）
上記式から明らかなように、電流Ｉと磁束Φの変換効率を高めるためには磁気抵抗Ｒｍを極力小さくすることが求められるが、コイル軸方向の磁路長ｌは大きくなるほど磁気抵抗Ｒｍの増大を招き、電流Ｉと磁束Φとの変換効率悪化を招くことになる。

特開２０００−２０８３３１号公報

このようなことから本発明が課題としたのは、磁路長が短くて電流と磁束の変換効率が高く、かつ大きな電流にも対応することができる多相コイルを提供することである。

上記課題の解決を目指した本発明者がまず着目したのは、一体の磁心の上に基準となる単層コイルを巻回し、その単層コイルの上に当該゛基準の単層コイル”と電線径，電線の巻方向，巻数，巻線間隔が同じである単層コイルを重ね巻きして形成した“複数の単層コイル層からなる多重コイル”である。この多重コイルは、磁心の長さが１つの単層コイルを巻回する分程度で済むので磁路長が短く、また単層コイルが多重に重なったコイルが形成されるので実質的な導体断面積の大きなコイルである。

即ち、“ｍ層の単層コイルが重なった上記多重コイル”の構成要素である“各単層コイル”の両端から導出されたコイル線（電線）の端末を両端それぞれで一本に並列接続すると、電線断面積（導体断面積）が直径ｄの電線のｍ倍の単層コイルとなってより大きな電流にも対応できるようになる。
因みに、この多重コイルではコイル線の長さは“ｍ本の単層コイルの線長の平均値”として捕らえることができる。

そこで、この“磁路長（軸方向の距離：コイル厚に相当）の短い多重コイル”を構成する複数の単層コイルを相数の数に応じて区分分割し、各区分毎に単層コイルを並列接続して多相コイルとすることを試みた。
しかし、このような多重多相コイルには次の問題が指摘された。

つまり、コイル線を巻回した結果として“上層に位置する単層コイル”と“下層に位置する単層コイル”とでコイルの巻径が異なってしまい、そのためコイル線の長さも上層と下層のコイル間で差ができてしまう。そして、コイル線の長さに差ができると上層と下層のコイル間で“電気抵抗（コイル線の長さに比例する）”にも差が生じて均衡が保てず、単層コイル間の電気特性バランスが崩れて多相コイルとして十分な性能を確保することができない。

しかしながら、この問題に関し、本発明者は多重コイルであるが故になし得る次の解決法を見出すことができた。
即ち、前記多重コイルにおいて、その“複数の単層コイル層”を電流の相数に応じた区分数に区分けする際の、各区分に属せしめる単層コイルに関する「各区分間での電線長の差異が０乃至は最小となる組み合わせ（下層から上層に至るコイルの中から選択してなされる組み合わせ）」が存在しており、そのような組み合わせに基づいて区分けされた各区分内の単層コイルをそれぞれ並列結束して接続すると、各区分間の電気特性に殆ど差異の無い多相コイルが実現されるということが見出された。

本発明は上記知見事項等を基にしてなされたものであり、多相電流用のコイルを次の構成とした点に特徴を有している。
１） 一体の磁心の上に電線の直径，巻方向及び巻数が同じ複数の単層コイルが重ね巻きされた多重コイルであり、単層コイルの層数が電流の相数の２倍以上の倍数となっていて、前記複数の単層コイル層が電流の相数に応じた区分数に、かつ各区分に属する単層コイルの電線長の差異が各区分間で０乃至は最小となるように区分されると共に、それら各区分内の単層コイルがそれぞれ並列結束されてなる多重多相コイル。
２） 単層コイルの層数（ｍ）が３の２倍以上の倍数であって、その複数の単層コイル層が３つに区分されており、その区分は単層コイル層の下層から上層にかけて序数（１，２，・・，ｍ）を付した際に各区分の序数の和が等しくなるようになされ、かつ各区分内の単層コイルがそれぞれ並列結束されてなる、前記１）項に記載の多重三相コイル。
３） 単層コイルの層数（ｍ）が２の２倍以上の倍数であって、その複数の単層コイル層が２つに区分されており、その区分は単層コイル層の下層から上層にかけて序数（１，２，・・，ｍ）を付した際に各区分の序数の和の違いが０乃至は１となるようになされ、かつ各区分内の単層コイルがそれぞれ並列結束されてなる、前記１）項に記載の多重二相コイル。

即ち、本発明に係る“多重多相コイル”は“複数の単層コイルが重ね巻きされた多重コイル”の形態をとっているので電線断面積（導体断面積）が大きいコイルとして機能し、大きな電流にも対応することができる。また、磁路長が１つの単層コイルを巻回する程度の寸法に抑えられた一体磁心型のコイル形態をなしているので、コイルの形状を単純化できる上に作成も簡易である。
更に、層数が電流の相数の２倍以上の倍数である複数の単層コイル層が電流の相数に応じた区分数に分けられた“本発明に係る多重多相コイル”は、各区分に属する単層コイルの電線長の差異が各区分間で０乃至は最小となるように区分されると共に、それら各区分内の単層コイルがそれぞれ並列結束されてなる構成をとっているので、径の異なるコイルが多層巻きされた多重コイルであるにもかかわらずそれぞれの相を担うコイル間での電気抵抗の差異が実際上の支障を認識できない程に抑えられ、コイル間の電気特性バランスが安定していて多相コイルとして良好な性能を発揮する。

因みに、コイル線（電線）の電気抵抗はコイル線長に比例し、導電率，導体断面積（電線断面積）に反比例する。そして、コイル線長は「π×コイル平均直径（外径と内径の平均値）×巻数」で算出される。
そして、本発明に係る多重コイル（層の数を仮にｍとする）では、下層から上層にかけてのコイル層に序数（１，２，・・，ｍ）を付した場合、その序数が１つ増える毎に一定の寸法（仮にｈとする）差でコイル平均直径が規則正しく大きくなる。
例えば、単層コイルを６層重ね巻きされた多重コイルの場合、最下層のコイル（序数１が付されたコイル）の平均直径をＤとすると、序数とそれが付されたコイルの平均直径の関係は次の通りとなる。
序数１・・・・平均直径はＤ
序数２・・・・平均直径はＤ＋ｈ
序数３・・・・平均直径はＤ＋２ｈ
序数４・・・・平均直径はＤ＋３ｈ
序数５・・・・平均直径はＤ＋４ｈ
序数６・・・・平均直径はＤ＋５ｈ。
つまり、前記序数とコイル線長の増加量は比例関係にある。

そして、この６層重ねの多重コイルにおいて、これを例えば三相コイル仕様とするためにその単層コイル屑を３つに区分する際、各区分に属するコイルの序数の和が等しくなる区分けを行うと、その区分に属する序数の和とコイル線長は次のようになり、各区分間での差は無くなる（なお、このような序数による区分けの有効性は三相コイルに限られるものではない）。
序数の和：１＋６＝７
コイル線長：（π×Ｄ×巻数）＋｛π×（Ｄ＋５ｈ）×巻数｝
＝π×（２Ｄ＋５ｈ）×巻数
序数の和：２＋５＝７
コイル線長：（π×（Ｄ＋ｈ）×巻数）＋｛π×（Ｄ＋４ｈ）×巻数｝
＝π×（２Ｄ＋５ｈ）×巻数
序数の和：３＋４＝７
コイル線長：（π×（Ｄ＋２ｈ）×巻数）＋｛π×（Ｄ＋３ｈ）×巻数｝
＝π×（２Ｄ＋５ｈ×巻数。
このように、本発明に係る多重コイルでは、単層コイル層”を電流の相数に応じた区分数に区分けする際の、各区分に属せしめる単層コイルに関する「各区分間での電線長の差異が０乃至は最小となる組み合わせ」、即ち「各区分間での電気抵抗の差異が殆ど認められなくなる組み合わせ」が存在しており、その組み合わせを上述した「序数」によって把握することが可能であるため、各区分間の電気特性バランス（均衡性）が良好な多相コイルを提供することができる。

図１は、本発明に適用される多重コイルの説明図である。 図２は、本発明に適用される多重コイルの巻回に適した巻き枠の説明図である。

本発明に係る多重多相コイルを作成するには、多層コイルを構成する複数の単層コイルを“対象とする相数”に応じて層分け区分しなければ成らないが、この際、各区分毎の電気特性に実質差が生じないように各区分に属するコイル線の長さを同じにしてその電気抵抗を揃える必要がある。
そのため、多相コイルを作成する場合には、適用する多重コイルとして単層コイルの層数（ｍ）が「対象とする相数」の２倍以上の倍数とされているものを準備する。

そして、この多重コイルを作成するには、まず最下層となる“基準の単層コイル”の巻回がなされる。
この場合、電気機器の仕様から用いるコイルに関して必要なコイル内径，導体径，絶縁電線外径，巻数，巻方向，巻線間隔が決まるので、これに従って“基準の単層コイル”を巻回する。
次いで、上記“基準の単層コイル”の上に、電線径，巻方向，巻数，巻線間隔が“基準の単層コイル”と同じ単層コイルの複数を順次重ね巻きする。
この時、各単層コイルの巻始め線，巻終わり線は、巻き枠の鍔部を経て外部に導出させるのが良い。
これによって、図１で示したような多重コイルが得られる。なお、図１において、符号１は巻き枠の軸部を、２は巻き枠の鍔部を、３は重なった複数の単層コイルを、そして４はコイル線の端末（巻始め線，巻終わり線）をそれぞれ示している。

ところで、複数の単層コイルを重ね巻きするとき、図１に示されるように下層の単層コイルのコイル線の谷間に上層のコイル線が嵌まり込む構造になると導体密度が最大になるので好ましいが、そのようにコイルを巻回すると下層に位置する単層コイルと上層に位置する単層コイルとで両端の位置が電線直径の半分だけずれることになる。
そのため、コイルの巻き枠として、図２に示すように、鍔部２の間隔が“第２層目以降の単層コイルの巻き位置部分”では“基準の単層コイル（第１層目の単層コイル）５の巻き長さに電線直径の半分の寸法を加算した距離”に設定された段付きのものを使用するのが巻回作業上有利である。

続いて、上述のように作成された多重コイルを“対象とする相数”に応じて層分け区分する。
この層分けは、各区分に属する単層コイルの電線長の差異が各区分間で０乃至は最小となるように行われ、各区分に属する単層コイルの端末線（引き出された巻始め線，巻終わり線）は区分毎に並列接続できるように結束される。
そして、この多重コイルには一体型の磁心が装着され多重多相コイルとされる。

次に、多重コイルをＵＶＷ相の三相に区分して各相を担うコイル部の電気特性バランスが良好な三相コイルを作成する例を紹介する。
まず、“基準の単層コイル”とこれに巻き重ねる複数の単層コイルに対し、下層から順に序数（１，２，・・・，ｍ）を付し、ｍが３の２倍以上の倍数である多重コイルを作成する。
このｍの数だけ重なった単層コイルを３分割して電気特性が同様の３組のコイル区分を形成するには、３組それぞれの電気抵抗を揃える必要がある。
そこで、単層コイルの序数とコイル径の増加量が比例していることを踏まえて、１〜ｍにわたるｍ個の数値を３つに区分した際の各区分に属する序数の和が等しくなるように複数の単層コイルを３分割に案分する。

例えば、ｍ＝６の場合、Ｕ相として序数１及び６の単層コイルを、Ｖ相として序数２及び５の単層コイルを、そしてＷ相として片数３及び４の単相コイルを送択して区分し、各区分内のコイルの端末線を並列接続できるように結束する。
この場合、各区分に組み入れる単層コイルの選択は、各区分に入る単層コイルの序数の和が何れも同じ「７」となるようになされている。これにより、ＵＶＷ相の各相を担うコイル線の長さは何れも同じとなって電気抵抗が揃い、電気特性バランスが良好な三相コイルが得られる。

また、ｍ＝９である場合、Ｕ相として序数１，６及び８の単層コイルを、Ｖ相として序数２，４及び９の単層コイルを，Ｗ相はとして序数３，５及び７の単相コイルを選択して区分し、この区分内のコイルを並列接続できるように結束する。
この場合、各区分に組み入れる単層コイルの選択は、各区分に入る単層コイルの序数の和が何れも同じ「１５」となるようになされている。

二相コイルの場合は、前記ｍを２の２倍以上の倍数にすれば前記三相コイルと同様の手法で作成することができるが、序数の総和が奇数のときは区分された２組の層に属する単層コイルの序数の和に数値「１」の差が生じる。
例えば、ｍ＝６の場合には序数の総和は「２１」となり、これを二分する各区分の序数の和は「１０」と「１１」になる。しかし、この程度の差であれば各区分に属するコイルの電気抵抗は何れも直径ｄ×√ｍの電線をｎタ−ン巻回した単層コイルと相似する（実質差の無い）領域を逸脱することがなく、各区分に属するコイル間には電気抵抗に忌避する程の差が生じないので、各区分に属するコイル間の電気特性バランスに実用上の支障は認められない。

上述の通り、本発明によると、磁路長が短くて電流と磁束の変換効率が高く、かつ大きな電流にも対応することができる多相コイルを提供することができ、各種の電気磁気エネルギ−変換器の性能向上につながるなど、産業上有用な効果がもたらされる。

１ 巻き枠の軸部
２ 巻き枠の鍔部
３ 重なった複数の単層コイル
４ コイル線の端末（巻始め線，巻終わり線）
５ 基準の単層コイル（第１層目の単層コイル）

Claims (3)

1. 一体の磁心の上に電線の直径，巻方向及び巻数が同じ複数の単層コイルが重ね巻きされた多重コイルであり、
   単層コイルの層数が６以上で電流の相数の２倍以上の倍数となっていて、前記複数の単層コイル層が電流の相数に応じた区分数に、かつ各区分に属する単層コイルの電線長の差異が各区分間で０乃至は最小となるように区分されると共に、それら各区分内の単層コイルがそれぞれ並列結束されてなる多重多相コイル。
2. 単層コイルの層数（ｍ）が３の倍数であって、その複数の単層コイル層が３つに区分されており、その区分は単層コイル層の下層から上層にかけて序数（１，２，・・，ｍ）を付した際に各区分の序数の和が等しくなるようになされ、かつ各区分内の単層コイルがそれぞれ並列結束されてなる、請求項１に記載の多重三相コイル。
3. 単層コイルの層数（ｍ）が６以上で２の倍数であって、その複数の単層コイル層が２つに区分されており、その区分は単層コイル層の下層から上層にかけて序数（１，２，・・，ｍ）を付した際に各区分の序数の和の違いが０乃至は１となるようになされ、かつ各区分内の単層コイルがそれぞれ並列結束されてなる、請求項１に記載の多重二相コイル。

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