JP6791927B2

JP6791927B2 - テーパ状部分を有するコイルを具備する電磁機器

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Publication number: JP6791927B2
Application number: JP2018199417A
Authority: JP
Inventors: 尚平小林
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: JP2020068272A; DE102019128086A1; CN111091955A; CN210984480U; US20200126715A1

Description

本発明は、電磁機器に関し、特に、テーパ状部分を有するコイルを具備する電磁機器に関する。

鉄心コイルを外周部鉄心で取り囲む構成とすることにより、コイルからの磁束が外周部鉄心の外部に漏洩するのを低減できる電磁機器が報告されている（例えば、特許文献１）。

従来の外周部鉄心が分割されている電磁機器においては、複数のコイル同士が干渉しないようにするために電磁機器の外径を大きくしなければならず、電磁機器のサイズを小型化することが難しいという問題があった。

特開２０１８−１３３４９２号公報

本発明は、設置面積を小さくでき、重量を軽量化することが可能な電磁機器を提供することを目的とする。

本開示の実施例に係る電磁機器は、外周部鉄心と、外周部鉄心の内面側に放射状に設けられ、放射中心において互いに隣接する少なくとも３個の脚部鉄心と、少なくとも３個の脚部鉄心に巻回された少なくとも３個のコイルと、を具備し、少なくとも３個のコイルのそれぞれは、少なくとも３個の脚部鉄心の外周部鉄心に近い側から放射中心に向かうに従って巻回面積が小さくなるテーパ状部分を有する。

本開示の実施例に係る電磁機器によれば、設置面積を小さくでき、重量を軽量化することができる。

実施例１に係る電磁機器の平面図である。実施例１に係る電磁機器の断面図である。一般的な電磁機器の平面図である。一般的な電磁機器の断面図である。実施例２に係る電磁機器の平面図である。実施例２に係る電磁機器の断面図である。実施例２に係る電磁機器を構成するコイルの斜視図である。一般的な電磁機器を構成するコイルの斜視図である。実施例２に係る電磁機器のコイルの断面図の他の例である。実施例３に係る電磁機器の平面図である。実施例３に係る電磁機器の断面図である。実施例４に係る電磁機器の平面図である。実施例５に係る電磁機器の平面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電磁機器について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

まず、本開示の実施例１に係る電磁機器について説明する。図１Ａに実施例１に係る電磁機器の平面図を示し、図１Ｂに実施例１に係る電磁機器の断面図を示す。実施例１に係る電磁機器１０１は、外周部鉄心１と、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）と、少なくとも３個のコイル（３１〜３６）と、を具備する。

外周部鉄心１は、少なくとも３個の外周部鉄心部分（１１〜１６）から構成されていてもよい。図１Ａは、外周部鉄心１が６個の外周部鉄心部分（１１〜１６）に分割されている例を示している。また、図１Ａに示すように、外周部鉄心１は略６角形状の環状構造を有していてもよい。ただし、このような例には限られず、外周部鉄心１は円形または他の多角形形状であってもよい。

少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）は、外周部鉄心１の内面側に放射状に設けられ、放射中心において互いに隣接する。図１Ａには、脚部鉄心（２１〜２６）が６個設けられた例を示している。外周部鉄心１および少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）は、複数の鉄板、炭素鋼板、電磁鋼板を積層するか、あるいは圧粉鉄心から形成されていてもよい。

少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）は互いに略同一の寸法であり、外周部鉄心１の周方向におおよそ等間隔に配置されている。図１Ａに示すように、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）のそれぞれの半径方向外側端部は外周部鉄心１に接している。

さらに、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）のそれぞれの半径方向内側端部は外周部鉄心１の中心Ｏに向かって収斂しており、その先端角度は図１Ａに示した例では約６０度である。そして、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）の半径方向内側端部に、磁気的に連結可能なギャップを設けるようにしてもよい。

少なくとも３個のコイル（３１〜３６）は、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）に巻回されている。図１Ａには、コイル（３１〜３６）が６個設けられた例を示している。

少なくとも３個のコイル（３１〜３６）のそれぞれは、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）の外周部鉄心１に近い側から放射中心Ｏに向かうに従って巻回面積が小さくなるテーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）を有する。コイル（３１〜３６）は、コイル本体部分（３１ａ〜３６ａ）とテーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）からなる。なお、コイル本体部分（３１ａ〜３６ａ）は、テーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）と直列接続されている。また、コイル本体部分（３１ａ〜３６ａ）は、テーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）と同一方向に巻回されている。

図１Ｂに、図１Ａにおけるコイル３５の線Ａ−Ａにおける断面図を示す。コイル３５はコイル本体部分３５ａ及びテーパ状部分３５ｂからなる。実施例１に係る電磁機器１０１の、少なくとも３個のコイル（３１〜３６）のそれぞれは、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）の外周部鉄心１に近い側から放射中心Ｏに向かうに従って巻回面積が小さくなるテーパ状部分を有する点を特徴としている。例えば、テーパ状部分３５ｂのコイル本体部分３５ａ側の巻回面積をＳ₁とし、テーパ状部分３５ｂの外周部鉄心１の中心Ｏ側の巻回面積をＳ₂とすると、Ｓ₂はＳ₁よりも小さい。このように、少なくとも３個のコイル本体部分（３１ａ〜３６ａ）の内周側に形成される空間に少なくとも３個のテーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）を配置した構成としているため、電磁機器のサイズを小型化することができる。

実施例１に係る電磁機器との比較のために、一般的な電磁機器の例について説明する。図２Ａに一般的な電磁機器の平面図を示し、図２Ｂに一般的な電磁機器の図２Ａの線Ｂ−Ｂにおける断面図を示す。環状に配置された外周部鉄心部分（１００１〜１００６）により外周部鉄心が構成され、外周部鉄心の内周面に配置された６個の脚部鉄心（２０１〜２０６）のそれぞれにコイル（３０１〜３０６）が巻回されている。コイル（３０１〜３０６）はテーパ状部分を有していない。

例えば、図２Ａのコイル３０５の巻き数が、図１Ａに示したコイル本体部分３５ａとテーパ状部分３５ｂの巻き数の合計と同数であるとする。この場合、コイル３０５の内周側のコイル部分３０５ａの巻き数がコイル本体部分３５ａの巻き数と等しく、コイル３０５の外周側のコイル部分３０５ｂの巻き数がテーパ状部分３５ｂの巻き数と等しいとすると、コイル３０５から、外周側のコイル部分３０５ｂをコイル３０５の内周側に移動させた場合、外周側のコイル部分３０５ｂがテーパ状部分３５ｂに相当すると考えることができる。従って、実施例１に係る電磁機器１０１によれば、電磁機器１０００の外周の大きさを電磁機器１０１の外周の大きさまで小型化することができる。従って、実施例１に係る電磁機器１０１は、テーパ状部分のコイルを有していない電磁機器１０００よりも小型化することができる。

また、少なくとも３個のコイル本体部分（３１ａ〜３６ａ）は互いに同じ回数だけ巻回されていることが好ましい。さらに、少なくとも３個のテーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）は互いに同じ回数だけ巻回されていることが好ましい。このような構成とすることにより、少なくとも３個のコイル本体部分（３１ａ〜３６ａ）及び少なくとも３個のテーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）によって少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）に生じる磁束密度を互いに等しくすることができる。

また、図１Ａに示すように、少なくとも３個のコイル（３１〜３６）のそれぞれのテーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）が、隣接する他のコイルのテーパ状部分と接するようにしてもよい。また、少なくとも３個のテーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）の外周部鉄心１の中心Ｏ側に、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）との間に空隙（９１〜９６）が形成されるようにしてもよい。空隙を形成することにより、少なくとも３個のコイル本体部分（３１ａ〜３６ａ）及び少なくとも３個のテーパ状部分（３１ｂ〜３６ｂ）により生じた熱を外部へ放出することができる。

次に、本開示の実施例２に係る電磁機器について説明する。図３Ａに実施例２に係る電磁機器の平面図を示す。実施例２に係る電磁機器１０２が実施例１に係る電磁機器１０１と異なっている点は、少なくとも３個のコイル（４１〜４６）は、外周部鉄心１と少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）との間の空間を埋める形状を有する点である。実施例２に係る電磁機器１０２のその他の構成は、実施例１に係る電磁機器１０１における構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。

少なくとも３個のコイル（４１〜４６）のそれぞれは、コイル本体部分（４１ａ〜４６ａ）及びテーパ状部分（４１ｂ〜４６ｂ）からなる。図３Ａには、コイル本体部分（４１ａ〜４６ａ）が６個設けられた例を示している。少なくとも３個のテーパ状部分（４１ｂ〜４６ｂ）は、少なくとも３個のコイル本体部分（４１ａ〜４６ａ）の内周面より外周部鉄心１の中心Ｏ側に配置されている。図３Ａには、テーパ状部分（４１ｂ〜４６ｂ）が６個設けられた例を示している。なお、少なくとも３個のコイル本体部分（４１ａ〜４６ａ）のそれぞれは、少なくとも３個のテーパ状部分（４１ｂ〜４６ｂ）と直列接続されている。また、少なくとも３個のコイル本体部分（４１ａ〜４６ａ）のそれぞれは、少なくとも３個のテーパ状部分（４１ｂ〜４６ｂ）と同一方向に巻回されている。

図３Ｂに、図３Ａにおけるコイル４５の線Ｃ−Ｃにおける断面図を示す。コイル４５はコイル本体部分４５ａ及びテーパ状部分４５ｂからなる。実施例２に係る電磁機器１０２は、少なくとも３個のコイル（４１〜４６）が、外周部鉄心１と少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）との間の空間を埋める形状を有する点を特徴としている。このような構成により、少なくとも３個のコイル本体部分（４１ａ〜４６ａ）の内周側に形成される空間に、少なくとも３個のテーパ状部分（４１ｂ〜４６ｂ）をより多く巻回することができるため、電磁機器のサイズをさらに小型化することができる。

図４に実施例２に係る電磁機器１０２を構成するコイル４５の斜視図を示す。コイル４５はコイル本体部分４５ａ及びテーパ状部分４５ｂからなり、脚部鉄心２５が配置される開口部４５０を有する。図４に示すように、テーパ状部分４５ｂは電磁機器１０２の中心に向かうに従い先端が絞られた形状となるように巻回されている。また、例えば、電磁機器１０２をリアクトルとして使用する場合、コイル本体部分４５ａのコイル端４５１を入力端子とし、テーパ状部分４５ｂのコイル端４５２を出力端子とするようにしてもよい。

実施例２に係る電磁機器との比較のために図５に一般的な電磁機器（図２Ａ参照）を構成するコイル３０５の斜視図を示す。コイル３０５には脚部鉄心２０５を配置するための開口部３０５０が形成されている。

例えば、図５のコイル３０５の巻き数が、図４に示したコイル本体部分４５ａとテーパ状部分４５ｂの巻き数の合計と同数であるとする。この場合、コイル３０５の内周側のコイル部分３０５ａの巻き数がコイル本体部分４５ａの巻き数と等しく、コイル３０５の外周側のコイル部分３０５ｂの巻き数がテーパ状部分４５ｂの巻き数と等しいとすると、コイル３０５から外周側のコイル部分３０５ｂをコイル３０５の内周側に移動した場合に、外周側のコイル部分３０５ｂがテーパ状部分４５ｂに相当すると考えることができる。従って、実施例２に係る電磁機器１０２によれば、電磁機器１０００の外周の大きさを電磁機器１０２の外周の大きさまで小型化することができる。従って、実施例２に係る電磁機器１０２は、テーパ状のコイルを有していない電磁機器１０００よりもサイズを小型化することができる。

次に、実施例２に係る電磁機器１０２を変圧器として用いる場合のコイルの構成について説明する。図６に実施例２に係る電磁機器１０２のコイル４５の断面図の他の例を示す。電磁機器１０２を変圧器として用いる場合、コイル４５の外周側のコイル４５ｃを１次側コイルとし、内周側のコイル４５ｄを２次側のコイルとしてもよい。このような構成とすることにより、実施例２に係る電磁機器１０２を変圧器として用いることができる。

次に、本開示の実施例３に係る電磁機器について説明する。図７Ａに実施例３に係る電磁機器の平面図を示す。実施例３に係る電磁機器１０３が実施例１に係る電磁機器１０１と異なっている点は、少なくとも３個のコイル（５１〜５６）のそれぞれは、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）の外周部鉄心１に近い側から放射中心Ｏに向かうに従って巻回面積が小さくなるテーパ状となっている点である。実施例３に係る電磁機器１０３のその他の構成は、実施例１に係る電磁機器１０１における構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図７Ａには、コイル（５１〜５６）が６個設けられた例を示している。図７Ｂに、図７Ａにおけるコイル５５の線Ｄ−Ｄにおける断面図を示す。実施例３に係る電磁機器１０３は、少なくとも３個のコイル（５１〜５６）のそれぞれは、少なくとも３個の脚部鉄心（２１〜２６）の外周部鉄心１に近い側から放射中心Ｏに向かうに従って巻回面積が小さくなるテーパ状となっている点を特徴としている。従って、図７Ｂに示すように、コイル５５は、脚部鉄心２５の長手方向と直交する面における巻回面積が外周部鉄心の中心Ｏ側に向かうにしたがって小さくなるように巻回されている。例えば、コイル５５の外周部鉄心１側の巻回面積をＳ₃とすると、Ｓ₃は外周部鉄心の中心Ｏ側に向かうにしたがって小さくなっている。このような構成により、隣接する少なくとも３個のコイル（５１〜５６）の間にコイルをより多く巻回することができるため、電磁機器のサイズをさらに小型化することができる。

以上の説明において、外周部鉄心部分、脚部鉄心、及びコイルの数をそれぞれ６個とした例について説明したが、このような例には限られず、外周部鉄心部分、脚部鉄心、及びコイルの数をそれぞれ３個とした３極構造としてもよい。図８に実施例４に係る電磁機器の平面図を示す。実施例４に係る電磁機器１０４は、外周部鉄心１と、３個の脚部鉄心（２１〜２３）と、３個のコイル（６１〜６３）と、を具備する。

外周部鉄心１は、３個の外周部鉄心部分（１１ｂ〜１３ｂ）に分割されていてもよい。また、図８に示すように、外周部鉄心１は略６角形状の環状構造を有していてもよい。ただし、このような例には限られず、外周部鉄心１は円形または他の多角形形状であってもよい。

３個の脚部鉄心（２１〜２３）は、外周部鉄心１の内面側に放射状に設けられ、放射中心Ｏにおいて互いに隣接するように配列されている。

３個のコイル（６１〜６３）は、３個の脚部鉄心（２１〜２３）に巻回されている。３個のコイル（６１〜６３）のそれぞれは、３個の脚部鉄心（２１〜２３）の外周部鉄心１に近い側から放射中心Ｏに向かうに従って巻回面積が小さくなるテーパ状部分（６１ｂ〜６３ｂ）を有する。

このように、３個のコイル本体部分（６１ａ〜６３ａ）の内周側に形成される空間に３個のテーパ状部分（６１ｂ〜６３ｂ）を配置した構成としているため、電磁機器のサイズを小型化することができる。

また、外周部鉄心部分、脚部鉄心、及びコイルの数をそれぞれ４個とした４極構造としてもよい。図９に実施例５に係る電磁機器の平面図を示す。実施例５に係る電磁機器１０５は、外周部鉄心１と、４個の脚部鉄心（２１〜２４）と、４個のコイル（７１〜７４）と、を具備する。

外周部鉄心１は、４個の外周部鉄心部分（１１ｃ〜１４ｃ）に分割されていてもよい。また、図９に示すように、外周部鉄心１は十字形状の構造を有していてもよい。ただし、このような例には限られず、外周部鉄心１は円形または多角形形状であってもよい。

４個の脚部鉄心（２１〜２４）は、外周部鉄心１の内面側に放射状に設けられ、放射中心Ｏにおいて互いに隣接するように配置されている。

４個のコイル（７１〜７４）は、４個の脚部鉄心（２１〜２４）に巻回されている。４個のコイル（７１〜７４）のそれぞれは、４個の脚部鉄心（２１〜２４）の外周部鉄心１に近い側から放射中心Ｏに向かうに従って巻回面積が小さくなるテーパ状部分（７１ｂ〜７４ｂ）を有する。

このように、４個のコイル本体部分（７１ａ〜７４ａ）の内面側に形成される空間に４個のテーパ状部分（７１ｂ〜７４ｂ）を配置した構成としているため、電磁機器のサイズを小型化することができる。

上記実施例に係る電磁機器を変圧器として利用することができる。本実施例に係る電磁機器によれば、サイズを小型化できるため、変圧器の各相の磁路長を短くでき、磁気抵抗が減る為、鉄損を減らすことができる。

また、上記実施例に係る電磁機器をリアクトルとして利用することもできる。

１外周部鉄心
１１〜１６外周部鉄心部分
２１〜２６脚部鉄心
３１〜３６コイル
３１ａ〜３６ａコイル本体部分
３１ｂ〜３６ｂテーパ状部分

Claims

外周部鉄心と、
前記外周部鉄心の内面側に放射状に設けられ、放射中心において互いに隣接する少なくとも３個の脚部鉄心と、
前記少なくとも３個の脚部鉄心に巻回された少なくとも３個のコイルと、を具備し、
前記少なくとも３個のコイルのそれぞれの外周面は、前記少なくとも３個の脚部鉄心の前記外周部鉄心に近い側から前記放射中心に向かうに従って巻回面積が小さくなるテーパ状部分を有し、
前記少なくとも３個のコイルのそれぞれの内周面は、前記少なくとも３個の脚部鉄心のうちの対応する脚部鉄心に対して平行であるようにした、
電磁機器。
前記少なくとも３個のコイルのそれぞれの前記テーパ状部分が、隣接する他のコイルの前記テーパ状部分と接する、請求項１に記載の電磁機器。
前記少なくとも３個のコイルは、前記外周部鉄心と前記少なくとも３個の脚部鉄心との間の空間を埋める形状を有する、請求項１または２に記載の電磁機器。
前記外周部鉄心は、少なくとも３個の外周部鉄心部分から構成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電磁機器。
前記電磁機器は変圧器である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電磁機器。
前記電磁機器はリアクトルである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電磁機器。
前記少なくとも３個のコイルのそれぞれは、該コイルの外周側に位置する一次側コイルと内周側に位置する二次側コイルとを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電磁機器。