JP7394806B2 - コイル用金属導体及びコイル - Google Patents

Description

本願は、コイル用金属導体及びコイルに関するものである。

金属導体を巻線して製作するコイルにおいては、金属導体の各ターン間の絶縁を確保するため、各金属導体の周りに絶縁層が設けられ、 金属導体と接着されている。金属導体に通電すると金属導体に発生する電磁力に起因して圧縮負荷がかかり、金属導体周りの絶縁層には圧縮応力、引張応力、及びせん断応力などが発生する。

これらの応力により絶縁層が破壊されるとコイルの故障につながるため、金属導体に流す電流または印加する磁場を制御して金属導体に作用する電磁力を低減する方法がある。若しくは、ラディアルプレート等の各金属導体とは独立した別の補強金属で、絶縁層が接着された金属導体を覆って、隣接ターン同士の直接的な電磁力のやり取りをなくして、金属導体周りの絶縁層に発生する応力を低減する等の方法がある。

また、金属導体の曲げ加工の際、加工具との接触面積を広くとれるように、または絶縁被膜の付きまわり性を向上するために、金属導体の矩形形状の断面の４つの角のそれぞれを形成する曲率半径を、単一の曲率半径若しくは楕円の曲率半径とするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－４１５３１号公報

しかし、特許文献１に記載された金属導体では、コイル作成の曲げ加工の際の利便のために、またはコイル作成までの工程で絶縁被膜の付着性を向上するために、金属導体の矩形形状の断面の各角に曲線を形成することが開示されているが、コイル作成後に、金属導体の各面に発生する圧縮負荷と金属導体の断面形状との関係について何ら開示はなく、圧縮負荷による絶縁層の破壊について対策が施されているとの示唆もない。また、金属導体に流す電流を制限すると、コイルの性能を十分に発揮することができず、別の補強金属を使用することは、部品点数およびコストの増加となる問題があった。

本願は上述のような課題を解決するためになされたものであり、金属導体周りの絶縁層が、電磁力により生じる応力で破壊されにくい構造を実現できるコイル用金属導体を提供することを目的とする。

本願に開示されるコイル用金属導体は、
周囲に絶縁層が形成され、断面が矩形形状のコイル用金属導体において、矩形形状の角を異なる曲率半径を持つ複数の円弧で形成するとともに、通電時に発生する圧縮負荷のかかる第１の面から続く円弧の曲率半径を、前記圧縮負荷よりも小さい圧縮負荷のかかる第２の面から続く円弧の曲率半径よりも小さくすることを特徴とする。

本願に開示されるコイル用金属導体によれば、絶縁層に発生する引張応力とせん断応力それぞれが大きくなる部位を遠ざけることができ、金属導体周りの絶縁層が電磁力により生じる応力で破壊されにくい構造を実現できる。

実施の形態１に係るコイル用金属導体の断面形状を示す図である。 図１の一部拡大断面図である。 比較例の他のコイル用金属導体の断面形状を示す図である。 図３の一部拡大断面図である。 実施の形態１に係るコイル用金属導体及び比較例の他のコイル用金属導体に生じる応力の分布図である。 実施の形態１に係るコイル用金属導体及び比較例の他のコイル用金属導体に生じる応力の分布図である。 実施の形態２に係るコイル金属導体の一部拡大断面図である。

以下、本願に係るコイル用金属導体の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。

図１は、金属導体１を巻回して形成されるコイル１００の断面形状を示す図であり、図２は図１の一部拡大図を示す。

図１に示すように、コイル１００は、棒状の金属導体１を縦３列、横２列並べ、接着剤２により固定したものをコイル形状に加工成形して作成される。金属導体１は、例えば銅素材の導体であり、断面形状は、後述する４つの角を含め完全な矩形ではないが、矩形形状を呈している。金属導体１の表面周囲には、例えばポリイミドの絶縁層３が形成されている。絶縁層３は、ポリイミドテープを金属導体１の周囲にテーピング後、エポキシ樹脂を含侵し熱処理を行うことで形成する。本実施の形態では、金属導体１の中央部４は、他の導線の通路及び冷却路のために中空に形成されているが、これに限るものではない。

図２は図１の一部拡大図である。金属導体１の断面形状の矩形形状の４つの角の各角を、２つの異なる曲率半径Ｒ１および曲率半径Ｒ２を持つ円弧に形成する。曲率半径Ｒ１の円弧と曲率半径Ｒ２の円弧は滑らかにつながる二段Ｒを形成する。曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２の大きさの関係は、断面が矩形形状の金属導体１の４面の内、圧縮負荷のかかる面の圧力を比較し、圧縮負荷が大きい方の第１の面Ａに続く円弧の曲率半径Ｒ１を、圧縮負荷が小さいもしくは発生しない方の第２の面Ｂ（圧縮負荷が高い面Ａに垂直な面）に続く円弧の曲率半径Ｒ２よりも小さく形成する。

図３は、比較例として示す金属導体１０で形成されたコイル１００の断面形状を示す。図４は図３の一部拡大図である。金属導体１０の断面形状の矩形形状の各角は１つの曲率半径Ｒ３にて形成している。絶縁層３０は実施の形態１で説明した絶縁層３と同様に形成している。

図５（ａ）は、比較例の金属導体１０周りに形成された絶縁層３０に、圧縮負荷により発生する垂直方向の引張応力の分布図であり、図５（ｂ）は、絶縁層３０が多数の層から構成されるとして、その層間のせん断応力の分布図である。

これに対し図６（ａ）は、実施の形態１の金属導体１周りに形成された絶縁層３に、圧縮負荷により発生する垂直方向の引張応力の分布図であり、図６（ｂ）は、絶縁層３が多数の層から構成されるとして、その層間のせん断応力の分布図である。各分布図の右側に示したバーは、応力の大きさを示しており、数字（単位はＭＰａ）が大きいほど応力は大きくなる。また、引張応力のバーに示された負の数字は、圧縮応力を表している。これら分布図において、引張応力の大きい部分を二重丸の破線と実線で示し、せん断応力の大きい部分を一重丸の破線と実線で示している。なお、それぞれの応力の大きい部分には、その範囲での最大値が存在する。

この分布図でわかるように、図６に示した実施形態１の絶縁層３に加わる引張応力の大きい部分及びせん断応力の大きい部分と、図５に示した比較例の絶縁層３０に加わる引張応力の大きい部分及びせん断応力の大きい部分とは、同じ程度の数字の明るさで示されており、応力の大きさの値としては共に大きく変わらない。

しかし、図中、一重丸と二重丸で示されるように、図５に示した比較例の絶縁層３０に加わる引張応力の大きい部分（二重丸）とせん断応力の大きい部分（一重丸）とは加わる箇所が絶縁層３０上で一部重なっているのに対し、実施の形態１の絶縁層３に加わる引張応力の大きい部分（二重丸）とせん断応力の大きい部分（一重丸）とは、加わる箇所は離れており、重なることがない。従って、実施の形態１の金属導体１に形成された絶縁層３と絶縁層３０で同じせん断応力値が発生する点を対応させて引張応力値を比較した場合、絶縁層３の各点の引張応力値の方が、絶縁層３０の対応する点の引張断応力値より小さいため、絶縁層３は絶縁層３０に比べ破壊されにくい。これは, 絶縁層が微視的には複数の絶縁層から構成されており、それらの層間の引張力が小さいほど若しくは圧縮力が大きいほど(但し一定の値まで)、層間のせん断力に対する強度が大きくなるということによる。

以上のように、金属導体１の矩形形状の断面において、矩形形状の４つの角を形成する金属導体１の面の内、圧縮負荷が大きい第１の面Ａに続く円弧の曲率半径Ｒ１を、圧縮負荷が小さいもしくは発生しない第２の面Ｂに続く円弧の曲率半径Ｒ２よりも小さく形成することにより、金属導体１の周りの絶縁層３に、大きな引張応力と大きなせん断応力とが離れた箇所に加わり、重畳して加わる部分がなくなるため、絶縁層３が破壊されにくく、コイルの故障となる確率は低いものとなる。また、後に説明する実施の形態２に比べ、角の形状を円弧の曲率半径Ｒ１、Ｒ２の異なる２つのみで形成するため、断面形状の決定が容易であり、製作性も向上する。

なお、上述の効果は金属導体１周りの絶縁層３が複数の層をなす基材と基材同士を接着する樹脂によって構成される場合、複数層で構成される絶縁層の割れを防ぐのに特に顕著な効果を発揮する。

実施の形態２．
実施の形態１では、金属導体１の断面形状の矩形形状の４つの角の各角を、２つの異なる曲率半径Ｒ１および曲率半径Ｒ２を持つ円弧を滑らかにつなげる形状に形成したが、３つの曲率半径を有する円弧をつなげる形状で形成してもよい。

即ち、図７に示すように、金属導体１にかかる圧縮負荷が高い方の第１の面に続く円弧の曲率半径Ｒ４を最も小さくし、圧縮負荷が小さいもしくは発生しない第２の面（圧縮負荷が高い面に垂直な面）に続く円弧の曲率半径Ｒ５を最も大きくし、曲率半径Ｒ４と曲率半径Ｒ５との間をさらに滑らかにつなげるために、両隣りの円弧の曲率半径Ｒ４、Ｒ５の間の値である円弧の曲率半径Ｒ６とする。このように構成することで金属導体１の表面をさらに滑らかな局面とすることができ、実施の形態１同様、絶縁層３が応力により破壊されにくい構造となるとともに、コイル作成時の絶縁層の付きまわりを改善することができる。

この円弧の数をさらに増やし、理論上無限とすると、楕円の短軸と長軸の間の１／４形状とすることも可能である。この場合でも、金属導体１の第１の面とそれに垂直な第２の面にかかる圧縮負荷を比較し、圧縮負荷が高い方の第１の面に続く円弧の曲率半径を、最も小さくし、圧縮負荷が低い方の第２の面に続く円弧の曲率半径を最も大きくするように曲面を形成することで、絶縁層３に加わる引張応力の大きい部分とせん断応力の大きい部分とが重ならず、絶縁層が破壊されにくくするという実施の形態１と同様の効果を奏することができるとともに、コイル作成時の絶縁層の付きまわりなどをさらに改善することができ、絶縁層の破壊によるコイルの故障をさらに防ぐことが可能となる。

なお、上述の効果は金属導体１周りの絶縁層３が複数の層をなす基材と基材同士を接着する樹脂によって構成される場合、複数層で構成される絶縁層の割れを防ぐのに特に顕著な効果を発揮する。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１、１０：金属導体、２：接着剤、３、３０：絶縁層、１００：コイル

Claims (5)

1. 周囲に絶縁層が形成され、断面が矩形形状のコイル用金属導体において、前記矩形形状の角を、異なる曲率半径を持つ複数の円弧で形成するとともに、通電時に発生する圧縮負荷のかかる第１の面から続く円弧の第１の曲率半径を、前記圧縮負荷よりも小さい圧縮負荷のかかる第２の面から続く円弧の第２の曲率半径よりも小さくすることを特徴とするコイル用金属導体。
2. 前記複数の円弧は、２つの円弧であることを特徴とする請求項１に記載のコイル用金属導体。
3. 前記複数の円弧は、前記第１の曲率半径を有する円弧と、前記第２の曲率半径を有する円弧と、前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径の間の値を有する第３の曲率半径を有する円弧の３つの円弧により形成されることを特徴とする請求項１に記載のコイル用金属導体。
4. 前記絶縁層を、複数の層をなす基材と基材同士を接着する樹脂によって形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のコイル用金属導体。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のコイル用金属導体を巻回して形成したコイル。

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