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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022041690
(43)【公開日】2022-03-11
(54)【発明の名称】電磁コイル
(51)【国際特許分類】
   H02K 3/04 20060101AFI20220304BHJP
   H02K 3/50 20060101ALI20220304BHJP
   H01F 5/00 20060101ALI20220304BHJP
【FI】
H02K3/04 Z
H02K3/50 Z
H01F5/00 D
H01F5/00 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020147041
(22)【出願日】2020-09-01
(71)【出願人】
【識別番号】508264841
【氏名又は名称】有限会社 宮脇工房
(74)【代理人】
【識別番号】110002697
【氏名又は名称】めぶき国際特許業務法人
(74)【代理人】
【識別番号】100104709
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 誠剛
(72)【発明者】
【氏名】竹内 啓佐敏
【テーマコード(参考)】
5H603
5H604
【Fターム(参考)】
5H603AA09
5H603BB01
5H603BB09
5H603BB12
5H603CA01
5H603CA05
5H603CB03
5H603CC01
5H603CC19
5H603CE04
5H603EE00
5H603EE04
5H604AA08
5H604BB01
5H604BB10
5H604BB14
5H604CC01
5H604CC04
5H604CC12
5H604DB00
5H604PB01
5H604QB03
(57)【要約】      (修正有)
【課題】渦電流低減、コイルエンド小形化を図り、且つ、コイル用導線のフォーミングによる断線・線径歪みの加工工程問題を解消できる電磁コイルを提供する。
【解決手段】導電性の部材が空芯領域101を囲むようにして巻回されてなる電磁コイル1は、台形形状をなし、有効コイル部102と第1コイルエンド部103と第2コイルエンド部104とを有する。台形形状をなす上底部121は第1面の上に配置され、下底部122は第1面とは異なる第2面の上に配置されている。有効コイル部102は、複数の導電性基材が束ねられてなるコイル用導線110によって構成されており、第1コイルエンド部103は、個体導電材でなる第1エンド部材130によって構成されており、第2コイルエンド部104は、個体導電材でなる第2エンド部材140によって構成されている。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
導電性の部材が空芯領域を囲むようにして巻回されてなり、電気機械装置の磁石の移動方向に沿って配置される電磁コイルであって、
前記電磁コイルの全体を平面視したときに、前記電磁コイルは、上底部と前記上底部に対向する下底部と前記上底部及び前記下底部を接続する脚部とを有し、且つ、前記脚部と前記下底部との間でなす角度が90度未満になるように形成されており、且つ、前記上底部、前記下底部及び前記脚部は前記空芯領域を囲むように配置されており、
前記上底部は所定の第1面の上に配置され、前記下底部は前記第1面とは異なる第2面の上に配置されており、
前記上底部及び前記下底部は有効コイル部を含み、
前記電磁コイルは、前記有効コイル部と、前記有効コイル部の長手方向の一方側に位置する第1コイルエンド部と、前記有効コイル部の前記長手方向の他方側に位置する第2コイルエンド部と、を有し、
前記有効コイル部は、複数の導電性基材が束ねられてなるコイル用導線によって構成されており、
前記第1コイルエンド部は、個体導電材でなる第1エンド部材によって構成されており、
前記第1エンド部材は、前記有効コイル部を構成している一のコイル用導線及び他のコイル用導線のそれぞれの一端側と連結され、前記一のコイル用導線及び前記他のコイル用導線との間を電気的に接続しており、
前記第2コイルエンド部は、個体導電材でなる第2エンド部材によって構成されており、
前記第2エンド部材は、前記有効コイル部を構成している前記コイル用導線の他端側と連結されている、
ことを特徴とする電磁コイル。
【請求項2】
請求項1に記載の電磁コイルにおいて、
前記コイル用導線の端部にはスペーサが装着され、前記コイル用導線の前記端部は前記第1エンド部材及び前記第2エンド部材と連結されていることを特徴とする電磁コイル。
【請求項3】
請求項1又は2に記載の電磁コイルにおいて、
前記個体導電材は金属でなり、
前記第1エンド部材は、前記コイル用導線の一端側にかしめ固定されており、
前記第2エンド部材は、前記コイル用導線の他端側にかしめ固定されている、
ことを特徴とする電磁コイル。
【請求項4】
請求項1又は2に記載の電磁コイルにおいて、
前記個体導電材は金属でなり、
前記第1エンド部材は、前記コイル用導線の一端側に溶着固定されており、
前記第2エンド部材は、前記コイル用導線の他端側に溶着固定されている、
ことを特徴とする電磁コイル。
【請求項5】
請求項1又は2に記載の電磁コイルにおいて、
前記個体導電材は金属でなり、
前記第1エンド部材は、前記コイル用導線の一端側に導電性接着剤で固定されており、
前記第2エンド部材は、前記コイル用導線の他端側に導電性接着剤で固定されている、
ことを特徴とする電磁コイル。
【請求項6】
請求項1~5のいずれかに記載の電磁コイルにおいて、
前記導電性基材として用いられる線は、銅を含む導電性の線であり、
前記導電性基材の平均半径は120μm以下である、
ことを特徴とする電磁コイル。
【請求項7】
請求項6に記載の電磁コイルにおいて、
前記導電性基材は裸導体線であり、
前記コイル用導線は複数の前記裸導体線が編組みされた編組線でなる、
ことを特徴とする電磁コイル。
【請求項8】
請求項6に記載の電磁コイルにおいて、
前記導電性基材はエナメル線であり、
前記コイル用導線は、複数の前記エナメル線が撚られた「リッツ線」でなる、
ことを特徴とする電磁コイル。
【請求項9】
請求項1~8のいずれかに記載の電磁コイルにおいて、
前記第2コイルエンド部には、前記第2エンド部材に連成又は連結された回路結線端子が配設されており、
前記電磁コイルは、前記回路結線端子以外の全域の表面において絶縁層が設けられている、
ことを特徴とする電磁コイル。
【請求項10】
請求項9に記載の電磁コイルにおいて、
前記有効コイル部における前記絶縁層は、前記導電性基材の周囲に浸透した水溶性の材料が固化した絶縁層であることを特徴とする電磁コイル。
【請求項11】
請求項10に記載の電磁コイルにおいて、
前記有効コイル部における前記絶縁層は、前記導電性基材の周囲に形成された電着絶縁塗膜であることを特徴とする電磁コイル。
【請求項12】
請求項9に記載の電磁コイルにおいて、
前記有効コイル部における前記絶縁層は、前記導電性基材の周囲に形成された絶縁塗布膜であることを特徴とする電磁コイル。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、空芯形の電磁コイルに関する。
【背景技術】
【0002】
コアレス電気機械装置に用いられる電磁コイルが知られている(例えば特許文献1参照)。図13は特許文献1に記載された電磁コイル9を説明するために示す図である。図13(a)は電磁コイル9の外観を示す斜視図であり、図13(b)は電磁コイル9の平面図である。
【0003】
特許文献1に記載された電磁コイル9は、図13に示すように、コイル用導線が空芯領域901を囲むようにして巻回されてなる。電磁コイル9の全体を平面視したときに、電磁コイル9は概略「台形形状」をなしており、上底部921と、上底部921に対向する下底部922と、上底部921及び下底部922を接続する脚部923,924と、上底部921、下底部922及び脚部923,924に囲まれた空芯領域901とを有する。脚部923,924は下底部922との間でなす角度θ1,θ2が90度未満になるように形成されている。
【0004】
複数の電磁コイル9を組み上げてコイルアセンブリーを構成したとき(特許文献1の図3参照)、各々の電磁コイル9をy方向に沿って見ると、上底部921及び下底部922は電気機械装置の中心軸からの距離が異なる2つの円周上に配置されている《図13(a)参照》。脚部923,924においては、互いに異なる円周上に配置されている上底部921及び下底部922を接続するための段差923a,924aが設けられている。
【0005】
特許文献1に記載された電磁コイル9は、上記のように台形形状をなしており且つ上底部921及び下底部922が異なる2つの円周上に配置されているため、複数の電磁コイル9を互いに重ね合わせた際に(特許文献1の図4A図4Cも参照)、隣接する電磁コイル9の上底部921及び下底部922が電気機械装置の径方向で干渉することなく組み合わせることができ、容易にコイルアセンブリーを形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】国際公開第2018/139246号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
一方、別の観点で電磁コイル9を見ると、電磁コイル9は、有効コイル部902と、有効コイル部902の長手方向の一方側に位置する第1コイルエンド部903と、有効コイル部の長手方向の他方側に位置する第2コイルエンド部904とを有している。第2コイルエンド部904には回路結線端子905が配設されている。
【0008】
特許文献1に記載された電磁コイル9(従来の電磁コイル)は、導電性基材を複数束ねて構成した編組線等をコイル用導線として、かかるコイル用導線を曲げるようにしてフォーミングしたものである。このため、コイルエンド部における巻回方向転換部934,944は《図13(b)参照》大きな曲率半径を有する湾曲形状とならざるを得ない。コイルエンド部は電気的エネルギーと機械的エネルギーとの間のエネルギー変換に直接的に寄与しない部分であるにも拘わらず、上記事情もあってコイルエンド部が占有する長さL903,L904は比較的大きなものとならざるを得なかった。コイルエンド部が占有する長さL903,L904が大きくなると、電磁コイル9全体としての抵抗値も大きくなり、その結果、電気機械装置の始動トルクの減衰も大きなものとなってしまう。
【0009】
加えて、従来の電磁コイルは導電性基材を複数束ねて構成したコイル用導線を曲げるようにしてフォーミングするものであるため、加工工程上、曲げの部分である巻回方向転換部934,944で断線や線径歪みの問題が生じ易い(断線・線径歪みの加工工程問題)。また、曲げの部分では内側に位置する導電性基材と外側に位置する導電性基材との間で材料の伸びのバラつき(差)が生じ易く、この伸びバラつきによるインピーダンスの歪みの問題も生じ易い。これらの問題は、編組線に限らず例えばリッツ線を用いた場合においても同様に生じうる。
【0010】
一方、市場からは、電気機械装置の機械的な抵抗を抑えて機械的振動を抑えることが望まれている。この見地から、電気機械装置の磁石の移動に伴って発生する有効コイル部における渦電流を低減することも強く期待されている。
【0011】
そこで本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、渦電流の発生を低減しつつも、従来よりもコイルエンド部を小さくすることができ、且つ、コイル用導線のフォーミングによる断線・線径歪みの加工工程問題を解消できる電磁コイルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の一態様によれば、導電性の部材が空芯領域を囲むようにして巻回されてなり、電気機械装置の磁石の移動方向に沿って配置される電磁コイルが提供される。この電磁コイルの全体を平面視したときに、電磁コイルは上底部と上底部に対向する下底部と上底部及び下底部を接続する脚部とを有し、且つ、脚部と下底部との間でなす角度が90度未満になるように形成されている。また、上底部、下底部及び脚部は空芯領域を囲むように配置されている。上底部は所定の第1面の上に配置され、下底部は第1面とは異なる第2面の上に配置されている。上底部及び下底部は有効コイル部を含んでいる。
また、この電磁コイルは、有効コイル部と、有効コイル部の長手方向の一方側に位置する第1コイルエンド部と、有効コイル部の長手方向の他方側に位置する第2コイルエンド部と、を有する。有効コイル部は、複数の導電性基材が束ねられてなるコイル用導線によって構成されている。第1コイルエンド部は、個体導電材でなる第1エンド部材によって構成されている。第1エンド部材は、有効コイル部を構成している一のコイル用導線及び他のコイル用導線のそれぞれの一端側と連結され、一のコイル用導線及び他のコイル用導線との間を電気的に接続している。第2コイルエンド部は、個体導電材でなる第2エンド部材によって構成されている。第2エンド部材は、有効コイル部を構成しているコイル用導線の他端側と連結されている。
【発明の効果】
【0013】
本発明のコイルによれば、渦電流の発生を低減しつつも、従来よりもコイルエンド部を小さくすることができ、且つ、コイル用導線のフォーミングによる断線・線径歪みの加工工程問題を解消できる電磁コイルとなる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】実施形態1に係る電磁コイル1及び当該電磁コイル1を複数組み合わせることにより構成されたコイルアセンブリー100を説明するために示す斜視図である。
図2】実施形態1に係る電磁コイル1を説明するために示す図である。
図3】第1エンド部材130を説明するために示す図である。
図4】第2エンド部材140を説明するために示す図である。
図5】実施形態1に係る電磁コイル1の製造方法及びコイルアセンブリー100の製造方法を説明するために示すフローチャートである。
図6】コイル用導線110(編組線20)の準備について説明するために示す図である。
図7】実施形態1に係る電磁コイル1の製造工程(一部)を説明するために示す図である。
図8】実験例における実験構成を示す模式図である。
図9】実験例における実験結果を示す表である。
図10】実施形態2に係る電磁コイル2を説明するために示す図である。
図11】実施形態2の絶縁層形成工程S180における電磁コイル2‘の状態を説明するために示す図である。
図12】実施形態3に係る電磁コイル3の製造工程(一部)を説明するために示す図である。
図13】特許文献1に記載された電磁コイル9を説明するために示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明に係る電磁コイルの実施形態について図面を参照して説明する。各図面は一例を示した模式図であり必ずしも実際の寸法、比率等を厳密に反映したものではない。
【0016】
[実施形態1]
1.実施形態1に係る電磁コイル1の構成
(1)電磁コイル1及びコイルアセンブリー100の概要
実施形態1に係る電磁コイル1は、電気機械装置の磁石の移動方向に沿って配置される空芯形の電磁コイルである。
電磁コイル1が適用される電気機械装置は、空芯形のコイルを用いる電気機械装置であれば如何なるものであってもよい。コアレスモーターは好適な適用対象の1つである。
図1(a)は、コアレスモーターに用いられる集中巻きタイプの電磁コイルのコイルアセンブリー100の一例である。図に示すように、コイルアセンブリー100は、複数の電磁コイル1(下付き文字のアルファベットはIndexを意味する)が互いに接するようにしてローターの永久磁石(図示を省略)の移動方向ROTに沿って列状に配置されている。このように電磁コイル1はいわゆるコアレスモーターに好適に適用することができる。
【0017】
なお、図において、コアレスモーターの回転軸AX1に平行な方向を「y方向」とし、回転軸AX1に垂直な方向を「x方向」とし、x方向及びy方向に垂直な方向を「z方向」とする。また、回転軸AX1を起点として回転軸AX1に垂直な方向を「径方向」とし、径方向に直交し回転軸AX1と平行な方向を「周方向」とする。以下の説明において、これらの方向の定義に従って配置される電磁コイル1についても、かかる方向関係の定義と同様の定義を用いる。
図1(b)については後述する。
【0018】
図1(c)は、電磁コイル1の外観を示す斜視図である。図2は、実施形態1に係る電磁コイル1を説明するために示す図である。図2(a)において、中央の図は電磁コイル1の平面図、下の図は正面図、上の図は背面図をそれぞれ示している。
【0019】
図1(c)及び図2(a)に示すように、電磁コイル1は、導電性の部材(詳細は後述)が空芯領域101を囲むようにして巻回されてなる。ここでの「巻回」には、空芯領域101を完全に360度に渡って取り囲むように巻く場合の他、空芯領域101 の周りを1周するまでには至らない(360度には至らない)ものの空芯領域101を囲むような巻き方も含まれる。
参考までに実施形態1で示した電磁コイル1は、図1(c)における右側の第2コイルエンド部104(後述)の回路結線端子105から反時計回りに辿っていくと、有効コイル部102(後述)、第1コイルエンド部103(後述)、有効コイル部102の順に形成されて図面左側の第2コイルエンド部104の回路結線端子105に至っており、空芯領域101の周りを約0.75周して「巻回」するように構成されている。
【0020】
(2)台形形状
電磁コイル1の全体を平面視したときに《図2(a)の中央の図を参照》、電磁コイル1は、概略「台形形状」をなしており、上底部121と上底部121に対向する下底部122と上底部121及び下底部122を接続する脚部123とを有し、且つ、脚部123と下底部122との間でなす角度《図2(a)においてはθ1》が90度未満になるように形成されている。また、平面視したときに、上底部121、下底部122及び脚部123は、空芯領域101を囲むように配置されている。
【0021】
上底部121、下底部122及び脚部123はいずれも直線的な形状を有する。上底部121の長さは下底部122の長さよりも短い。上底部121及び下底部122は、電磁コイル1がコイルアセンブリーとして組み上げられたときには回転軸AX1と平行な方向(y方向)に延びる2本の平行なコイル部分であり、有効コイル部102(後述)に相当する部分を含んでいる。脚部123は上底部121及び下底部122より斜めに傾いた方向に延びる。
ここでの「台形形状」には、実施形態2に係る電磁コイル2のように2つの辺においてそれぞれ脚部223,224が設けられているものに限らず(図10参照。詳細は後述)、実施形態1に係る電磁コイル1のように実体としての脚部が1の辺においてのみ設けられ(脚部123)、他の辺では実体としての脚部が設けられておらずオープンとなっている形状についても「台形形状」の概念に含まれるものとする。また、「台形形状」は、厳密な台形に限らず、上底部及び下底部と脚部との接続部分がある程度の曲率半径をもって曲がった形状のものであったり、突設された部位《例えば図10(a)に示す実施形態2の第2エンド部材240など》を有する形状のものであってもよい。
【0022】
(3)上底部121及び下底部122の位置関係
複数の電磁コイル1を組み上げてコイルアセンブリーを構成したとき(以下、「コイルアセンブリーを組み立てたとき」という)、各々の電磁コイル1をy方向に沿って見ると、上底部121及び下底部122は電気機械装置の回転軸AX1からの距離が異なる2つの円周上に配置されている《図2(a)の下の正面図を参照》。換言すると、上底部121は所定の第1面(回転軸AX1を中心とした仮想上の第1の円柱の側面)の上に配置され、下底部122は第1面とは異なる第2面(回転軸AX1を中心とした仮想上の第2の円柱の側面)の上に配置されている。実施形態1では、上底部121の方が下底部122よりも回転軸AX1から遠い位置に配置されている。つまり、第1面が第2面よりも外側(回転軸AX1から遠い)の位置関係となっている。
上底部121及び下底部122の脚部123との接続位置は、上底部121の端部においては上底部121が存在する第1面上に配置され、下底部122の端部においては下底部が存在する第2面上に配置されている。
【0023】
脚部123においては、異なる円周上に配置されている上底部121及び下底部122を互いに接続するために段差123dが設けられている。実施形態1では、脚部123の段差123dは、上底部121よりも下底部122に近い位置において第1面と第2面との間を接続している。全体として見ると、脚部123は上底部121及び下底部122を接続するように略Z字状に曲がった形状となっている。
【0024】
(4)複数の電磁コイル1の組み合わせ
図1(b)は複数の電磁コイル1a,1b,1cを互いに重なり合わせる様子を示す図である。同図における下の図は-z方向に沿って見たときの平面図であり、上の図はy方向に沿って見たときの正面図である。
ここで、当該電磁コイル1bの上底部121bを、上底部121bの側に隣接する電磁コイル1cの下底部122cの側から上底部121cの側にスライドするようにして嵌め込むようにすれば、電磁コイル1bを電磁コイル1cに重ね合わせて嵌合することができる。同様にして電磁コイル1aを電磁コイル1bに重ね合わせて嵌合することができる《図1(b)参照》。この際に、電磁コイル1cの上底部121cの下面と電磁コイル1aの下底部122aの上面との間や、電磁コイル1bの脚部123bの下面と電磁コイル1aの下底部122aの上面との間に接着剤を配置して互いに仮固定してもよい。
上記のような嵌合作業を、例えば24個の電磁コイル1について行うことで、図1(a)に示すようなコイルアセンブリー100を構成することができる。なお、図1(a)の状態にまでコイルアセンブリー100を組み立てた後は、全体(回路結線端子105を除く)をモールド剤で固めて外形を固定してもよい。このようにして、複数の電磁コイル1が電気機械装置の磁石(図示を省略)の移動方向に沿って配置されているコイルアセンブリー100を構成することができる。
【0025】
このとき、電磁コイル1は、各電磁コイルの上底部が、当該電磁コイルの上底部の側に隣接する他の1つの電磁コイルの空芯領域内に収容されるよう構成されている。例えば、図1(b)の下の図に示すように、電磁コイル1bの上底部121bが、当該電磁コイル1bの上底部121bの側に隣接する他の1つの電磁コイル1cの空芯領域101c(図示を省略)内に収容されるよう構成されている。
【0026】
また、各電磁コイルの上底部及び脚部は、複数の電磁コイルを組み合わせたときに、当該電磁コイルの下底部の側に隣接する他の電磁コイルの上底部及び脚部と電気機械装置の径方向(第1の方向)に重なること無く周回方向(磁石の移動方向ROTに沿った方向)に並ぶように配置できるよう構成されている。例えば、図1(b)に示すように、電磁コイル1bの上底部121b及び脚部123bが、電磁コイル1bの下底部122bの側に隣接する他の電磁コイル1aの上底部121a及び脚部123aと、径方向に重なること無く周回方向に並ぶように配置可能となっている。
【0027】
なお、電磁コイル1を回転軸AX1に垂直な面で切断して見たときに、電磁コイル1の外径は、円環をN等分した分割リング形状を有し、当該分割リング形状の2つの側辺のなす角度が360°/N以下となっていることが好ましい。この点の構成・作用・効果については、本出願の発明者が従前発明した特許文献1の記載内容を援用して本明細書に取り入れることができる。また、電磁コイル1の結線方法等その他の技術的特徴についても、本発明の趣旨に反しない限り適宜援用して本明細書に取り入れることができる。
【0028】
(5)有効コイル部102、第1コイルエンド部103及び第2コイルエンド部104
「台形形状」の観点とは別の観点で電磁コイル1を見ると、電磁コイル1は、有効コイル部102と、有効コイル部102の長手方向LDの一方側LD1に位置する第1コイルエンド部103と、有効コイル部102の長手方向LDの他方側LD2に位置する第2コイルエンド部104とを有している。なお、第2コイルエンド部104には回路結線端子105が配設されている《図1(c)及び図2(a)の中央の図を参照》。なお、本明細書において、第1コイルエンド部103及び第2コイルエンド部104を単に「コイルエンド部」という場合がある。
【0029】
「有効コイル部」とは、電気的エネルギーと機械的エネルギーとの間のエネルギー変換を有効に行う部分である。典型的には、その長手方向LDが磁石の移動方向と直交するような位置関係で配置される部分である。「第1コイルエンド部103」,「第2コイルエンド部104」は、電気的エネルギーと機械的エネルギーとの間のエネルギー変換に直接的に寄与しない部分ということもできる。なお、各図において、有効コイル部102として表面に編組線に類似した模様が描かれているが、実際には編組線は露出しておらず、図における模様は、編組線の模様に倣うように形成された絶縁層106(後述)の模様を描いたものである。他の図面における有効コイル部102の表示においても同様である。
【0030】
第1コイルエンド部103は、渡り部133を有する。渡り部133は、第1コイルエンド部103をy方向に沿って正面視したときに、左右に配置された有効コイル部102の間を渡すように接続している《図2(a)及び図3参照》。
【0031】
第1コイルエンド部103は、導電性の部材の巻回方向を転換する部位である巻回方向転換部134を有する。電磁コイル1を平面視したとき、導電性の部材の形状は、巻回方向転換部134において、有効コイル部102の長手方向LD(y方向に沿った方向)から、有効コイル部の長手方向LDに対して角度を持った方向に、屈折するようにして導電性の部材が方向転換されている。
【0032】
(6)コイル用導線110
図2(b)は、電磁コイル1の有効コイル部102を図1(c)で示す仮想面PL1で切断し、当該切断面を矢印Aに沿って見たときの断面図である。
図2(b)に示すように、有効コイル部102は、複数の導電性基材10が束ねられてなるコイル用導線110によって構成されている。「複数の導電性基材10が束ねられてなるコイル用導線110」は複数の導電性基材10が撚られた、又は/及び、編み込まれたコイル用導線110ということもできる。
【0033】
「導電性基材10」としては、ここでは裸導体線11を採用している。
「裸導体線11」は、その周囲に絶縁材料が皮膜されておらず導電性の部材たる導体が剥き出しの状態となっている線をいうものとする。例えば、銅を主原料とした無垢の「裸銅線」の他、炭素を用いた「カーボン線」、裸銅線等にスズめっき・ニッケルめっき等が施された「めっき線」などが「裸導体線11」に含まれる。ここで説明する例では「裸導体線11」としてスズめっき線を採用している。
【0034】
導電性基材10の太さは電気機械装置の仕様に応じて適宜の太さを選択することができる。導電性基材10として用いられる線は、銅を含む導電性の線であるとして、導電性基材10の平均半径が120μm以下であることが好ましい。更に、導電性基材10の平均半径が100μm以下であることがより好ましい。導電性基材10の平均半径が50μm以下であることがより一層好ましい。このような径を有する導電性基材10を採用することにより渦電流の発生を低減することができるからである《詳細は[実験例]で後述》。
【0035】
コイル用導線110は複数の裸導体線11が編組みされた編組線20でなっている。 具体的には例えば図2(b)に示すように、コイル用導線110は、裸導体線11が6本単位で撚られた撚線15を中間材とし、3セットの当該撚線15が編組みされた編組線20でなっている。コイル用導線110をこのような構成とすることにより、渦電流の発生を低減することができる《詳細は[実験例]で後述》。
【0036】
編組線20の少なくとも表面において絶縁層106が設けられている。
絶縁層106は、絶縁性の部材であれば如何なるものからなっていてもよい。
実施形態1において、少なくとも有効コイル部102における絶縁層は、導電性基材10の周囲に浸透した水溶性の材料が固化した絶縁層107である。この絶縁層107は、導電性基材10の周囲に形成された電着絶縁塗膜であることが好ましい。ここでの絶縁層107は、別言すると、導電性基材10に対し電着塗装して得られた「電着絶縁塗膜」である。絶縁層107としての電着絶縁塗膜は、導電性基材10を皮膜するものであり、絶縁材料からなり絶縁機能を有する。
【0037】
他方、有効コイル部102における絶縁層106は導電性基材10の周囲に形成された絶縁塗布膜であったとしても、またこれも好ましい。比較的安価に絶縁層106を構成することができ、経済的にも有利な電磁コイル1を得ることができるからである。なお、ここでの絶縁層106は、別言すると、導電性基材10に対し絶縁塗布材を塗布して得られた「絶縁塗布膜(電着絶縁塗装膜を除く)」である。絶縁層106としての絶縁塗布膜は、導電性基材10を皮膜するものであり、絶縁材料からなり絶縁機能を有する。
【0038】
コイル用導線110は、上記した編組線20及び絶縁層106を含んでいる。
【0039】
(7)第1エンド部材130
図3は第1エンド部材130を説明するために示す図(斜視図)である。
第1コイルエンド部103は個体導電材でなる第1エンド部材130によって構成されている(図3参照)。
「個体導電材」とは、「導電性の部材」のバリエーションの1つであり、ワイヤー(線材)を束ねたようなものではなく1個体となっている導電性の部材をいう。例えば、銅を含む金属でなり所定の形状に鋳造又は鍛造されたものであってもよい。銅板(銅を含む金属を圧延したもの)が所定の形状にプレスされたものであってもよい。
【0040】
第1エンド部材130には、例えばコイル用導線110,110の一端側111を受容し嵌合することができるように開口部131が設けられている(併せて図7参照)。
【0041】
第1エンド部材130は、有効コイル部102を構成している一のコイル用導線110《例えば図2(a)中央の平面図の右側のコイル用導線110》及び他のコイル用導線110(同左側のコイル用導線110)のそれぞれの一端側(LD1の側)と「連結」され、一のコイル用導線110及び他のコイル用導線110との間を電気的に接続する。ここでの「連結」には、実施形態1のように直接的に連結されている場合の他、実施形態2のようにスペーサ40等を介して間接的に連結されている場合も含まれる(実施形態2は後述する)。
【0042】
第1エンド部材130が電磁コイル1の一部として組み込まれたときには、次のような構造となっている。すなわち、個体導電材は金属でなるとして、第1エンド部材130は、コイル用導線110の一端側にかしめ固定されている。具体的には、第1エンド部材130の開口部131にコイル用導線110の一端側111が嵌挿された状態で、第1エンド部材130の開口部131の内側の壁がコイル用導線110の一端側111を「かしめる」ようにして、第1エンド部材130がコイル用導線110に強固に固定されている《図2(a)、図3、後述の図7(b)等を参照》。
【0043】
なお、第1エンド部材130における開口部131へのコイル用導線110の挿入代(しろ)は、コイル用導線110の連結部132となる。かかる連結部132はオーバーラップ部132と言うこともできる。組み上がった状態の電磁コイル1では、第1エンド部材130及びコイル用導線110はオーバーラップ部132で密接に連結され電気的に接続されることとなる。
【0044】
第1エンド部材130は、巻回方向転換部134を有する。巻回方向転換部134においては、導電性の部材(個体導電材)が大きな曲率半径を有する湾曲形状ではなく、ある程度の角を有するようにして屈折した形状となっている。実施形態1では、第1コイルエンド部103において、上底部121と脚部123との間で方向転換を行う図2(a)右側の巻回方向転換部134と、脚部123と下底部122との間で方向転換を行う同図左側の巻回方向転換部134との2箇所で巻回方向転換部134が存在している。なお、同図左側の巻回方向転換部134では、脚部123と下底部122との間でなす角θ1が90未満となっている。
【0045】
第1エンド部材130は、渡り部133を有する。また、第1エンド部材130は、斜めに形成された側辺(図2(a)の下の図を参照)を有する。
【0046】
(8)第2エンド部材140
図4は第2エンド部材140を説明するために示す図である。図4(a)は第2エンド部材140の斜視図、図4(b)は第2エンド部材140の平面図をそれぞれ示す。
図4に示すように、第2コイルエンド部104は個体導電材でなる第2エンド部材140によって構成されている。
【0047】
第2エンド部材140は、コイル用導線110,110図2(a)中央の平面図参照》の他端側(LD2の側)を受容し嵌合することができるように開口部141が設けられている。また、第2エンド部材140には回路結線端子105が配設されている。
【0048】
第2エンド部材140は、有効コイル部102を構成しているコイル用導線110,110の他端側と「連結」される《図2(a)参照》。ここでの「連結」には、実施形態1のように直接的に連結されている場合の他、実施形態2のようにスペーサ40等を介して間接的に連結されている場合も含まれる(実施形態2は後述する)。
【0049】
第2エンド部材140が電磁コイル1の一部として組み込まれたときには、次のような構造となっている。すなわち、上記した個体導電材は金属でなるとして、第2エンド部材140は、コイル用導線110の他端側にかしめ固定されている。具体的には、第2エンド部材140の開口部141にコイル用導線110の他端側112が嵌挿された状態で、第2エンド部材140の開口部141の内側の壁がコイル用導線110の他端側112を「かしめる」ようにして、第2エンド部材140がコイル用導線110に強固に固定されている《後述する図7(b)等も参照》。
【0050】
なお、第2エンド部材140における開口部141へのコイル用導線110の挿入代(しろ)は、コイル用導線110の連結部142となる。かかる連結部142はオーバーラップ部142と言うこともできる。組み上がった状態の電磁コイル1では、第2エンド部材140及びコイル用導線110はオーバーラップ部142で密接に連結され電気的に接続されることとなる。
【0051】
なお、コイル用導線110の一端側は第1エンド部材130のオーバーラップ部132においてかしめ固定されており、コイル用導線110の他端側は第2エンド部材140のオーバーラップ部142でかしめ固定されているが、参考までに、コイル用導線110のうち上記オーバーラップ部132,142以外の部分が有効コイル部102を構成することとなる。また、第1エンド部材130の部分が第1コイルエンド部103を構成し、第2エンド部材140(但し、回路結線端子105の部位を除く)の部分が第2コイルエンド部104を構成することとなる《図2(a)中央の平面図参照》。
【0052】
(9)絶縁層106
電磁コイル1において、回路結線端子105以外の全域の少なくとも表面において絶縁層106が設けられている。ここでの「全域」とは、具体的には、電磁コイル1の第1エンド部材130、コイル用導線110及び第2エンド部材140(回路結線端子105の部位を除く)の全ての領域の全表面ということもできる。
第1エンド部材130及び第2エンド部材140における絶縁層は、上記したコイル用導線110(編組線20)に設けられた絶縁層106と同様の構成を採ることができる。もっとも、コイル用導線110(編組線20)に設けられた絶縁層106と異なる構成の絶縁層とすることは妨げない。
【0053】
2.実施形態1に係る電磁コイル1の製造方法
図5は、実施形態1に係る電磁コイル1の製造方法及びコイルアセンブリー100の製造方法を説明するために示すフローチャートである。
図5に示すように、実施形態1に係る電磁コイル1の製造方法は、大まかに捉えると、第1エンド部材段取り工程S110、第2エンド部材段取り工程S120及びコイル用導線段取り工程S130を「前工程」とし、第1エンド部材挿入工程S140及び第1エンド部材連結工程S150、並びに、第2エンド部材挿入工程S160及び第2エンド部材連結工程S170を「中工程」とし、絶縁層形成工程S180を「後工程」としてなっている。これら全体を纏めて「電磁コイル形成作業S100」と総称することとする。
【0054】
以下、電磁コイル1を、編組線20で「複数の導電性基材が束ねられてなるコイル用導線110」を構成した場合を想定して説明を続ける。
【0055】
(1)第1エンド部材段取り工程S110
第1エンド部材段取り工程S110は、図3で示すような第1エンド部材130を準備する(第1エンド部材準備ステップS112)等を行うことにより、中工程の前段取りを行う工程である。
【0056】
(2)第2エンド部材段取り工程S120
第2エンド部材段取り工程S120は、図4で示すような第2エンド部材140を準備する(第2エンド部材準備ステップS122)等を行うことにより、中工程の前段取りを行う工程である。
なお、この工程では、回路結線端子105を予めマスキングしておいてもよい(端子部マスキングステップS124)。具体的には、回路結線端子105に対して、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、エナメル、ウレタン、ワニス等の浸透性絶縁塗布材を塗布してマスキングを予め行っておく。これにより、後述する絶縁層形成工程S180における絶縁材料が付着しないよう処置する。
【0057】
(3)コイル用導線段取り工程S130
コイル用導線段取り工程S130は、コイル用導線110を準備し、後工程(第1エンド部材への挿入・嵌合・連結)のためにコイル用導線110を段取る工程である。コイル用導線段取り工程S130には編組線準備ステップS132及び編組線フォーミングステップS134が含まれる。
【0058】
(3-1)編組線準備ステップS132
編組線準備ステップS132は、コイル用導線110としての編組線20を作成し準備するステップである。
図6は、コイル用導線110(編組線20)の準備について説明するために示す図である。図6(a)は撚線15や編組線20を長手方向に垂直な面で切断したときの断面図である。
編組線準備ステップS132においては、まず、導電性基材10としての裸導体線11(ここではスズめっき線を想定)を6本単位で撚った撚線15を作成しこれを中間材とする《図6(a)(i)参照》。次いで、かかる撚線15を3セット寄せ集め、これらを互いに編み組して編組線20を作成する《図6(a)(ii)参照》。この段階で編組線20の周囲を外側から全体的に押圧するなどして軽くフォーミングを行ってもよい。このようにして作成された編組線20は、図6(b)の斜視図で示すような所定の厚みを持った略板状のコイル用導線110となる。
なお、実施形態1の電磁コイル1では有効コイル部102にコイル用導線110が2本用いられるが、これら合計2本のコイル用導線110は仕様を共通化することが好ましい。そうすることにより、必要な本数の編組線20を編組線準備ステップS132においてバッチ処理的にまとめて作成することができる。
【0059】
(3-2)編組線フォーミングステップS134
図7は実施形態1に係る電磁コイル1の製造工程(一部)を説明するために示す図である。図7(a)は編組線フォーミングステップS134を説明するための斜視図である。
【0060】
編組線フォーミングステップS134においては、まず、編組線20をカットするなどして所定の長さに調整する《図7(a)の左側の図参照》。次いで、編組線20の両端部である一端側111及び他端側112において、所定の長さ(上記したオーバーラップ部132,142に対応する長さ)に渡って周囲を外側から潰すようにして編組線20の両端部の外径寸法を小さくする《図7(a)の右側の図参照》。これにより、編組線20の両端部が、第1エンド部材130の開口部131及び第2エンド部材140の開口部141に挿入できるようにしておく。
【0061】
(4)第1エンド部材挿入工程S140
図7(b)は第1エンド部材挿入工程S140及び第2エンド部材挿入工程S160を説明するための斜視図である。
第1エンド部材挿入工程S140は、編組線フォーミングステップS134で潰して外形寸法を小さくしておいたコイル用導線110(編組線20)の一端側111を、第1エンド部材130の開口部131から挿入しオーバーラップ部132に嵌め合わせる工程である《図7(b)参照》。
【0062】
(5)第1エンド部材連結工程S150
図7(c)は第1エンド部材連結工程S150及び第2エンド部材連結工程S170を説明するための斜視図である。
第1エンド部材連結工程S150は、第1エンド部材挿入工程S140で嵌め合わせた第1エンド部材130とコイル用導線110とを強固に連結する工程である《図7(c)参照》。
第1エンド部材130とコイル用導線110との連結は、かしめ固定によって行ってもよい。かしめ固定は、例えば、第1エンド部材130のオーバーラップ部132内に位置する所定部位《図7(c)のかしめ部137参照》に対して、圧着工具等を用いて第1エンド部材130の外側から圧力を掛け、第1エンド部材130のオーバーラップ部132を塑性変形させる。すると、第1エンド部材130の開口部131の内部の壁がコイル用導線110の外周を強く押さえつけるようになる。これにより、第1エンド部材130はコイル用導線110の一端側111に密着するようにして強固に固定されつつ電気的に接続される。
なお、上記したかしめ固定を行った後にはんだ等の導電性を有する材料を用いて第1エンド部材130とコイル用導線110との間を接合・固定する処置を更に施してもよい。
【0063】
(6)第2エンド部材挿入工程S160及び第2エンド部材連結工程S170
第2エンド部材挿入工程S160は、編組線フォーミングステップS134で潰して外形寸法を小さくしておいたコイル用導線110の他端側112を、第2エンド部材140の開口部141から挿入しオーバーラップ部142に嵌め合わせる工程である《図7(b)参照》。
第2エンド部材連結工程S170は、第2エンド部材挿入工程S160で嵌め合わせた第2エンド部材140とコイル用導線110とを強固に連結する工程である《図7(c)参照》。第1エンド部材連結工程S150と同様に、圧着工具等を用いて、第2エンド部材140のオーバーラップ部142内に位置するかしめ部147に対してかしめ固定を行うことにより連結してもよい。
第2エンド部材挿入工程S160及び第2エンド部材連結工程S170については、上記した第1エンド部材挿入工程S140及び第1エンド部材連結工程S150と基本的に同様の内容にて実施することができる。
【0064】
(7)絶縁層形成工程S180
絶縁層形成工程S180は、回路結線端子105以外の領域(部位)の、少なくとも表面に絶縁層106を設ける工程である。
【0065】
図示を省略するが、絶縁層形成工程S180としては、絶縁性を有する溶質を用いた水溶性の材料を少なくともコイル用導線110に浸透させる浸透ステップと、浸透した水溶性の材料を固化する固化ステップと、をこの順序で実施するのが好ましい。この場合、水溶性の材料は、絶縁性を有し且つ接着性を有するものを採用するのが好ましい。
なお、浸透ステップにおいては、上記水溶性の材料を第1エンド部材130及び第2エンド部材140(マスキングした部分は除く)の表面にも付着させる処理を併せて実施してもよい。
【0066】
絶縁層形成工程S180は、例えば次のように実施してもよい。すなわち、液槽・容器等(以下、単に液槽とする)の内側に熱硬化性樹脂の溶液を満たしたうえで、液槽の内側に、第1エンド部材連結工程S150及び第2エンド部材連結工程S170を実施した(組み上げた)電磁コイルを投入する。こうすると、水溶性の材料がコイル用導線110を構成する複数の導電性基材10の間に浸透(浸入)する。この際、第1エンド部材130及び第2エンド部材140(マスキングした部分は除く)の表面においても水溶性の材料が付着する。このように導電性基材10等の周囲に水溶性の材料が付着した状態で、コイル用導線110、第1エンド部材130及び第2エンド部材140(被塗物)を液槽から引き上げる。そして、水溶性の材料が付着した被塗物に対して加熱することにより、被塗物の周囲に付着した水溶性の材料に由来する材料を固化させる。
【0067】
また、水溶性の材料の浸透及び固化は、いわゆる電着絶縁塗装によって行うことが更に
好ましい。
例えば、液槽に水溶性の材料を含む水溶液を満たし、被塗物が水溶液に全没するように被塗物を浴槽の内側に投入する。こうすることで水溶性の材料が、被塗物のうちコイル用導線110を構成する複数の導電性基材10の間に浸透(浸入)する。この状態で被塗物と電極の間に絶縁皮膜の膜厚を制御するための直流電圧を印加して、コイル用導線110(微視的に言うと導電性基材10)の周囲や第1エンド部材130及び第2エンド部材140(マスキングした部分は除く)の表面に、水溶性の材料に由来する電着絶縁塗装膜を析出させる。これにより導電性基材10の周囲や第1エンド部材130及び第2エンド部材140(マスキングした部分は除く)の表面には電着絶縁塗膜でなる絶縁層106を形成することができる。
直流電圧を印加する際に、液槽内の水溶液に対し超音波を印加してもよい。超音波を印加することで被塗物の周囲から気泡や不純物を除去することができ、絶縁品質を向上させることができる。
【0068】
なお、絶縁層106の形成は上記した電着絶縁塗装によるものに限定されるものではない。例えば、図示を省略するが、コイル用導線110の導電性基材10の周囲や第1エンド部材130及び第2エンド部材140(マスキングした部分は除く)の表面に、絶縁材料を塗布して絶縁塗布膜を形成し、当該絶縁塗布膜をもって絶縁層106とする方法を採用してもよい。このように塗布による絶縁塗布膜を形成する方法であれば、電着絶縁塗装による場合に比べ、安価に絶縁層106を構成することができ、経済的にも有利なコイルを得ることができる。
【0069】
以上説明した工程を実施することにより、実施形態1に係る電磁コイル1を得ることができる。
【0070】
参考までに、電磁コイル1を得た後には、重ね合わせ作業S300《図1(b)に示すような複数の電磁コイル1の重ね合わせの作業》及びコイルアセンブリー形成作業S500を行うことができる(詳細は上記「1.実施形態1に係る電磁コイル1の構成」の章を参照)。また、コイルアセンブリー形成作業S500によりコイルアセンブリーが組み上がった後は、回路結線端子105に施してあるマスキングについては、例えばはんだ炉内で加熱することにより選択的に除去することが可能である(端子部マスキング除去作業S600)。
【0071】
3.実験例
発明者は、電気機械装置の磁石の移動に伴う渦電流の発生に関する実験を行い、渦電流
の発生を抑制するコイルについての新たな知見を得たので、以下に説明する。
【0072】
(1)実験構成
図8は、実験例における実験構成を示す模式図である。
電気機械装置の磁石の移動を模式的に再現するため、図8に示すように、振り子状の実験治具を構成した。具体的には、ロッド710の一端側710bに固定部材720を介して永久磁石MGa,MGbを配設し(符号730は永久磁石MGa,MGbのペアを示す)、ロッド710の他端側710aを回動軸AX2に固定した。ロッド710の他端側710aはベアリング軸に接続して低い摩擦係数の下で回動するようにした。
その上で、回動軸AX2の直下に試料(図においてSampleと記す)を配置するように構成した。試料は非磁性体からなる試料固定台740の上面に固定されるようにし、試料の上面の水準と振り子の先端に配設されている永久磁石ペア730との間に隙間Gを設定して、試料と永久磁石ペア730とが空間的に接触しないようにした。
【0073】
(2)試料・実験方法
(2-1)試料
試料(Sample)は基本的には電磁コイルを想定しているが、具体的には「導電性の部材(例えば導電性基材10,コイル用導線110、第1エンド部材130及び第2エンド部材140)」の材料の諸候補を想定し、これらの試料(Sample)を実験に付するものとした。更に具体的には、図9(後述)で示す表の第2列に示すような諸材料を平面視で30mm×10mmの矩形の形に整形して、それぞれ試料として準備した。
【0074】
(2-2)実験方法
先ず、実験番号に対応した試料を試料固定台740に配置する。その際、どの実験番号の場合であっても隙間Gはが凡そ1mm程度となるように試料固定台740の位置を調整するものとする。
次いで、永久磁石ペア730の中心の高さが回動軸AX2の高さと一致するように(すなわちロッド710が水平となるように)永久磁石ペア730を図8の実線で描いた状態にまで持ち上げる。
次いで、振り子を開放する。
そうすると、永久磁石ペア730は、図8の矢印C0の方向に動き始め、試料(Sample)の直上を矢印C1方向,矢印C2方向と交互に動くようにして往復して振動することとなる。かかる振動は、振り子と空気との抵抗の他、主に永久磁石ペア730が試料の近傍を通過することに伴う渦電流の発生による損失によって、減衰し、やがて停止することとなる。実験データはこの往復振動を観測することによって得るものとする。観測内容は、振り子が往復した回数(振り子が停止するまでの回数。以下単に往復回数という。)及び振動した時間(振り子が停止するまでの所要時間。以下単に振動時間という。)とする。往復回数及び/又は振動時間が大である程、渦電流の発生による損失が少ないとの仮定の下、往復回数及び/又は振動時間が大である程、渦電流の発生が少ないであろうと判定することとした。なお、実験番号6,7の試料は導体線ではないが比較のためにこれらについても観測を行った。以上のような実験方法で、実験番号1~7までの実験を行った。
【0075】
(3)実験結果
図9は、実験例における実験結果を示す表である。
図9に示すように、導電性基材(導体部)の平均半径が100μm以下である実験番号2,4,5については、往復回数及び振動時間が比較的大であり、渦電流の発生が小さい。更に導電性基材(導体部)の平均半径が50μm以下であると更に渦電流の発生は小さくなる。また、複数の裸導体線が編組みされている編組線である実験番号4,5については、往復回数及び振動時間が比較的大であり、渦電流の発生が小さい。また、実験番号2のマグネットワイヤー(導電性基材たる導電部に予め絶縁皮膜が施されたもの)も、往復回数及び振動時間が比較的大であり、渦電流の発生が小さい。さらに、実験番号3のめっき銅線についても、往復回数及び振動時間が比較的大であり、渦電流の発生が小さい。
【0076】
(4)考察
(4-1)上記実験結果から、実施形態1に係る電磁コイル1を構成するに当たり、導電性基材10の平均半径は120μm以下であることが好しく、更には100μm以下であるとより好ましく、更には50μm以下であるとより一層好ましいことが明らかになった(実験番号2,4,5)。
(4-2)実施形態1に係る電磁コイル1を構成するに当たり、上記(1)の条件の下、コイル用導線110は複数の裸導体線11が編組みされている編組線20でなることがより好ましいことが明らかになった(実験番号4,5)。
(4-3)実施形態1に係る電磁コイル1を構成するに当たり、上記(1)の条件の下、コイル用導線110は導電性基材10に予め絶縁皮膜が施された「マグネットワイヤー」が用いられてなることがより好ましいことが明らかになった(実験番号2)。
(4-4)導電性基材10は銅線にニッケルめっきが施されたニッケルめっき線又は銅線にスズめっきが施されたスズめっき線であっても好適であることも明らかになった(実験番号3)。
以上より、上記(4-1)~(4-4)の何れか1つ又はそれらの組み合わせを充足する導電性基材10,コイル用導線110を採用することにより、渦電流の発生を低減することができることが実験により確認された。
【0077】
4.実施形態1に係る電磁コイル1の効果
(1)電磁コイル1の有効コイル部102は、複数の導電性基材10が束ねられてなるコイル用導線110によって構成されているため渦電流の発生を低減することができる。[実験例]の章で述べたとおり、磁石の移動による影響を受けやすい「有効コイル部102」においては、例えば金属でなる個体導電材(例えば銅板など)を採用するのではなく、複数の導電性基材が束ねられてなるコイル用導線を採用することにより渦電流の発生を低減が期待できるからである。
【0078】
また、第1コイルエンド部103及び第2コイルエンド部104は、線材を用いた部材ではなく個体導電材でなる第1エンド部材130及び第2エンド部材140で構成されているため、従来の電磁コイルのような湾曲した部分を設けることなく、有効コイル部102の長手方向LDから鋭角に方向を変えながら空芯領域101周りを巻回することができ、その結果、従来よりもコイルエンド部を小さくすることができる。
さらに、第1エンド部材130及び第2エンド部材140は個体導電材でなるため、つまり撚ったり/編み込みしたりしたものでもないため、線材の断線・線径歪みの加工工程問題も生じない。
したがって、実施形態1に係る電磁コイル1は、渦電流の発生を低減しつつも、従来よりもコイルエンド部を小さくすることができ、且つ、コイル用導線のフォーミングによる断線・線径歪みの加工工程問題を解消できる電磁コイルとなる。
いうなれば、実施形態1に係る電磁コイル1は、有効コイル部(磁石の移動による影響を有効に受け取る領域)には例えば編組線20を採用して渦電流が低減できるものを配置しながらも、磁石の移動による影響を大きくは受けないコイルエンド部には個体導電材を配置してコイルエンド部が占有する長さ・体積を小さくし且つ断線・線径歪みの加工工程問題も解決できるものとなっている。
【0079】
(2)実施形態1に係る電磁コイル1が上記のように従来よりもコイルエンド部が小さくなり電気回路上の経路がその分短縮されると、その分の抵抗を低減することができる。同じ励磁電圧であれば、電磁コイルに流れる電流を従来よりも大きくすることができ、従来よりも更にトルクを高めることができる。別の観点でいうと、同じトルクを得るのであれば、従来よりもコンパクトな電磁コイル1とすることができる(スペース効率を高めることができる)。
【0080】
(3)第1エンド部材130及び第2エンド部材140は個体導電材でなるため適宜の外形を造ることができる。よって、異形状の電磁コイル同士を組み合わせてコイルアセンブリー100を構築するような場合、特に巻回方向転換部134、段差123dなどのように輪郭が鋭く変化するような複雑な立体形状の電磁コイルを用いて構築するような場合においても、実施形態1によれば比較的容易にそのような電磁コイルを構築することができる。
【0081】
(4)第1エンド部材130は、コイル用導線110の一端側にかしめ固定されており、第2エンド部材140は、コイル用導線110の他端側にかしめ固定されている。このため、溶着のように熱源を必要とせず簡便に連結することができ、生産性の優れた電磁コイル1となる。
また、本発明の実施態様として紹介はしていないが、例えば、第1エンド部材130及びコイル用導線110の間や第2エンド部材140及びコイル用導線110の間を「溶接」によって連結・固定した場合には、溶接部分に酸化膜が形成されるため、電磁コイルに大きな電流を流すと溶接部分の抵抗成分により発生するジュール熱が大きくなってしまうという問題を生じやすい。他方、かしめによる固定であればそのような問題は生じない。
【0082】
(5)実施形態1では、有効コイル部102における絶縁層106は、導電性基材10の周囲に浸透した水溶性の材料が固化した絶縁層であることが好ましい。
絶縁層106を、絶縁塗布材を塗布した絶縁塗布膜で構成した場合には、塗布時の液垂れ・基材への塗布材の偏った付着等の影響を受けやすい。一方で、絶縁層106を「導電性基材10の周囲に浸透した水溶性の材料が固化した絶縁層」で構成することにより、浸透による効果でコイル用導線110の内部の導電性基材間にまでも水溶性の材料が行き渡って銅電線基材間の隙間を埋めることができ、上記した液垂れ・偏った付着等を生じることもなく、電磁コイルの部位に依らず均質な絶縁層となる。その結果、均質な絶縁耐圧特性を得ることができ、絶縁特性の安定した高品質の電磁コイルとなる。
【0083】
(6)また有効コイル部102における絶縁層106は、導電性基材10の周囲に形成された電着絶縁塗膜であることが更に好ましい。
電着塗装膜は、一般に電着塗料溶液の中に被塗装物を全没させて所定の電圧を印加して形成するものである。電着塗装溶液がコイル用導線110の外側及び内側にまで行き渡るようにして浸透し、且つ、コイル用導線110の外側に位置する導電性基材10に対してだけでなく内側に位置する導電性基材10に対しても同様に電圧が印加されることとなるため、コイル用導線110の外側から内側に渡って均質な絶縁層106となる。したがって、部位に依らずより均質な絶縁耐圧特性を得ることができ、絶縁特性の安定した高品質の電磁コイルとなる。
【0084】
[実施形態2]
図10は、実施形態2に係る電磁コイル2を説明するために示す図である。図10(a)は電磁コイル2の斜視図である。基本的な構成及び特徴が実施形態1と同じ構成要素については、実施形態1における符号の百の桁の数字を1から2に置き換えながら(実施形態1では100番台、実施形態2では200番台に対応している)実施形態1における当該構成要素の説明を援用するものとし、ここでの説明は省略する。
【0085】
実施形態2に係る電磁コイル2は基本的には実施形態1に係る電磁コイル1と同様の構成を有するが「導電性の部材」の巻回回数において実施形態1に係る電磁コイル1とは異なる。
【0086】
電磁コイル2は、図10(a)に示すように、「導電性の部材」が右下の側より順次、第2エンド部材240、コイル用導線210、第1エンド部材230、コイル用導線210、第2エンド部材240、コイル用導線210、第1エンド部材230、コイル用導線210、第2エンド部材240と連結されながら、空芯領域201を取り囲むように約2回巻回している(厳密にいうと1と3/4回巻回している。後述する図11も併せて参照)。
これに対応するようにして、コイル用導線210が4本となり、第1エンド部材230,230の態様が互いに異なっており、第2エンド部材240,240、240の態様が互いに異なっている。特に、第2エンド部材240は脚部224を構成しており、巻回方向転換部や渡り部(符号による図示は省略)が設けられており、コイル用導線210とコイル用導線210との間を電気的に接続している。また、下底部222と脚部224との間で90度未満の角度θ2をなすように構成している。しかしながら、その他の基本的なところは実施形態1に係る電磁コイル1と同様の設計思想となっており同様の構成となっている。
【0087】
図10(b)は、電磁コイル2の有効コイル部202を図10(a)で示す仮想面PL2で切断し当該切断面を矢印Bに沿って見たときの断面図である。
図10(b)に示すように、電磁コイル2における有効コイル部202の断面は、複数の導電性基材10が束ねられてなるコイル用導線210及びコイル用導線210が2段に積層する形となっている。それぞれのコイル用導線210及びコイル用導線210は個々にみると実施形態1に係るコイル用導線110と同様の構造となっている。
【0088】
電磁コイル2の製造方法は、基本的には実施形態1に係る電磁コイル1の製造方法と同様の構成を有する(図5~7参照)。ただし、絶縁層形成工程S180において工夫が必要である。
【0089】
図11は、実施形態2の絶縁層形成工程S180における電磁コイル2‘の状態を説明するために示す図である。
実施形態2の電磁コイル2は上記したように「導電性の部材」が2回巻回(2T)しているため、1周目の「導電性の部材」と2周目の「導電性の部材」とが密着した状態で絶縁層を形成しようとすると、1周目の「導電性の部材」と2周目の「導電性の部材」との間に絶縁層が形成できなくなる虞がある。
そのため、図11に示すように、絶縁層形成工程S180を実施する際には、例えば、コイル用導線210とコイル用導線210との間でSP1で示す間隔を空ける、第1エンド部材230と第1エンド部材230との間でSP2で示す間隔を空ける、第2エンド部材240と第2エンド部材240との間でSP3で示す間隔を空けるといったように、1周目の「導電性の部材」と2周目の「導電性の部材」との間で間隔を空けた状態としながら「導電性の部材(コイル用導線210,第1エンド部材230,第2エンド部材240。下付き文字のIndexは省略)」に対し絶縁材料を浸透・付着・塗布等を行う。
【0090】
なお、実施形態2に係る電磁コイル2は「導電性の部材」の巻回回数以外の構成においては、実施形態1に係る電磁コイル1と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態1に係る電磁コイル1が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。
【0091】
[実施形態3]
図12は、実施形態3に係る電磁コイル3の製造工程(一部)を説明するために示す図(斜視図)である。基本的な構成及び特徴が実施形態1と同じ構成要素については、実施形態1における符号の百の桁の数字を1から3に置き換えながら(実施形態1では100番台、実施形態3では300番台に対応している)実施形態1における当該構成要素の説明を援用するものとし、ここでの説明は省略する。
【0092】
実施形態3に係る電磁コイル3は基本的には実施形態1に係る電磁コイル1と同様の構成を有するが、コイル用導線310の端部に金属などのスペーサ40が装着されている点において実施形態1に係る電磁コイル1とは異なる。
【0093】
すなわち、実施形態3に係る電磁コイル3においては、コイル用導線310の端部(一端側311,他端側312)にスペーサ40が装着されており、このコイル用導線310の端部(一端側311,他端側312)は第1エンド部材330及び第2エンド部材340,340とそれぞれ連結されている。別言すると、第1エンド部材330とコイル用導線310との間はスペーサ40を介して連結されている。また、第2エンド部材340,340とコイル用導線310との間はスペーサ40を介して連結されている。なお、図示は省略するが、スペーサ40の外寸法は第1エンド部材330の開口部331や第2エンド部材340の開口部341の内寸法に対応するように設計されており、互いに嵌め合わせることができるようになっている。
【0094】
実施形態3に係る電磁コイル3の製造方法においては、新たにスペーサ装着ステップが必要となる。
図12(a)の左側の図に示すように、コイル用導線段取り工程S130の編組線フォーミングステップS134を実施した後に、コイル用導線310の一端側311及び他端側312にスペーサ40を装着する(スペーサ装着ステップ)。具体的にはコイル用導線310の一端側311及び他端側312にスペーサ40をそれぞれ挿入し、各スペーサ40の外部から圧着工具等を用いて圧力をかけて「かしめ」ることで固定する。また、「かしめ」に替えて又は「かしめ」に加えて、溶着による固定を行ってもよいし、導電性接着剤による固定を行ってもよい。いずれにせよ固定を行った後は図12(a)の右側の図の状態となる。
【0095】
その後、図12(b)に示すように、実施形態1における第1エンド部材挿入工程S140及び第2エンド部材挿入工程S160と同様にして、スペーサ40が装着されたコイル用導線310の端部を第1エンド部材330の開口部331及び第2エンド部材340,340の開口部341に挿入することができる。
【0096】
このように電磁コイル3を製造すると、第1エンド部材330とコイル用導線310との間はスペーサ40を介して「間接的に連結」されることとなる。また、第2エンド部材340とコイル用導線310との間はスペーサ40を介して「間接的に連結」されることとなる。
この場合においても第1エンド部材330又は第2エンド部材340とコイル用導線310との間はかしめ固定によって連結することもできる。
【0097】
コイル用導線310として例えば編組線を採用したとき、編組線の端部を直に第1エンド部材330の開口部331に挿入して嵌め合わせることも可能であるが、編組線の端部に導電性基材10(線材)のほつれ、毛羽立ち等が生じることがある。
一方で、実施形態3においてはスペーサ40を導入することにより上記の場合編組線の端部にスペーサ40を一旦装着するので、そのようなほつれ、毛羽立ち等を無くすことができ、接続信頼性が一層高い電磁コイルとなる。
【0098】
なお、実施形態3に係る電磁コイル3はコイル用導線の端部にスペーサ40が装着されている点以外の構成においては、実施形態1に係る電磁コイル1と基本的に同様の構成を有する(図5~7参照)。そのため、実施形態1に係る電磁コイル1が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。
【0099】
[実施形態4]
実施形態4に係る電磁コイル4は基本的には実施形態2に係る電磁コイル2と同様の構成を有するが、コイル用導線の端部にスペーサ40が装着されている点において実施形態2に係る電磁コイル2とは異なる(図示を省略)。
すなわち実施形態4に係る電磁コイル4は、「導電性の部材」の巻回回数が約2回であり(実施形態2に係る電磁コイル2と同様の構成)、且つ、実施形態3と同様に、コイル用導線410の両端にスペーサ40が装着されたものとなっている。つまり、コイル用導線410の端部にはスペーサ40が装着され、このコイル用導線410の端部は第1エンド部材430及び第2エンド部材440とそれぞれ連結されている。別言すると、第1エンド部材430とコイル用導線410との間はスペーサ40を介して連結されている。また、第2エンド部材440とコイル用導線410との間はスペーサ40を介して連結されている(図示を省略)。
【0100】
なお、実施形態4に係る電磁コイル4はコイル用導線の端部にスペーサ40が装着されている点以外の構成においては、実施形態2に係る電磁コイル2と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態2に係る電磁コイル2が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。
【0101】
以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
【0102】
(1)各実施形態では、第1エンド部材又は/及び第2エンド部材とコイル用導線との間の連結・固定は、かしめ固定による例をもって説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、個体導電材は金属でなり、第1エンド部材は、コイル用導線の一端側に溶着固定され、第2エンド部材は、コイル用導線の他端側に溶着固定されるように構成してもよい。ここでの「溶着固定」は、銀、スズ等の金属粉末を加熱して溶かして着けるもので、いわゆるはんだ付けも本発明の溶着固定のうちに含まれるものとする。溶着固定によると、溶着材が第1エンド部材/第2エンド部材とコイル用導線との間を埋めることができ、接触抵抗が低減され接続信頼性が高い電磁コイルとなる。
【0103】
また例えば、個体導電材は金属でなり、第1エンド部材は、コイル用導線の一端側に導電性接着剤で固定され、第2エンド部材は、コイル用導線の他端側に導電性接着剤で固定さるように構成してもよい。ここで「導電性接着剤で固定」とは、例えば銀ペースト(銀粉入りグリス)などを接着部分に塗布し接合したうえで、加熱して有機成分を飛ばして硬化させる固定をいう。溶着と同様に接着剤が第1エンド部材/第2エンド部材とコイル用導線との間を埋めることができ接触抵抗が低減され接続信頼性が高い電磁コイルとなる。
【0104】
(2)各実施形態では、裸導体線11を導電性基材10とした編組線20をコイル用導線とした例をもって説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、導電性基材10はエナメル線12であり、コイル用導線は、複数のエナメル線12が撚られた「リッツ線30」でなるように構成してもよい(図示を省略)。
いわゆるリッツ線30は、編組線20より安価で工業上は魅力的であるが、曲げに弱くフォーミングによる断線・線径歪みの加工工程問題を生じ易いため、従来ではコイル用導線として採用しづらかった。しかし、本発明によれば、コイル用導線はコイルエンド部には用いず直線状の有効コイル部のみ組み込まれることから、上記問題を気にすることなく採用することができる。したがって、リッツ線30は本発明に好適に用いることができ経済的な電磁コイルを実現することができる。
【0105】
(3)各実施形態では、「導電性の部材」を約1回巻回(1T)する又は約2回巻回(2T)する例をもって説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、3回以上巻回するものであってもよい。もっとも、本発明は「導電性の部材」の巻回回数が2回以下の電磁コイルがより好適である。3回以上巻回するものであると、段重ねとなるコイル用導線(編組線等)の間に絶縁塗装剤を設ける工程(絶縁層形成工程S180)の難易度が上がる。「導電性の部材」の巻回回数が2回以下であれば製造性に優れた経済面でも有利な電磁コイルとすることができる。
【0106】
(4)各実施形態では、上底部121,221,321,421の方が下底部122,222,322,422よりも回転軸AX1から遠い位置に配置されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。これとは逆に、下底部122,222,322,422の方を遠い位置に配置してもよい。
また、各実施形態では、段差123d,223d,323d,423dの位置が下底部122,222,322,422寄りに配置されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。これとは逆に、段差123d,223d,323d,423dを上底部121,221,321,421寄りに配置されているものでもよい。
【0107】
(5)各実施形態においては、2相で励磁されて動作する電気機械装置を例に説明をしたが(図1等)、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、3相で励磁される電気機械装置に対しても適用可能である。この場合の複数の電磁コイルの配置関係、結線の方法等の図面・説明については、本出願の発明者が従前発明した特許文献1の記載内容を援用して本明細書に取り入れることができる。
【0108】
(6)本発明の適用先としてコアレスモーターを例に説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、コアレス型の発電機、回生制動機、アクチュエーター等の電気機械装置一般に対しても適用可能である。さらに、本発明の適用先としてコアレス(鉄心なし)の電気機械装置に限定されるものではない。本発明はコアード(鉄心ありで鉄心の周りに当該電磁コイルを配置するもの)の電気機械装置に適用してもよい。
【0109】
(7)各実施形態においては、コアレスモーター等の回転を前提とした電気機械装置を例に説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、リニア型の電気機械装置に用いることもできる。例えば図1(a)に示すかご型のコイルアセンブリーの周方向の1か所を仮想的に切断して展開したような構成とすることにより、リニア型の電気機械装置向けのコイルアセンブリーとすることもできる。この場合、本明細書におけるローター(回転子)はムーバー(可動子)と読み替えることができる。
【符号の説明】
【0110】
1,1a,1b,1c,2,2’,3,4,9…電磁コイル、10…導電性基材、11…裸導体線、12…エナメル線、15…撚線、20…編組線、30…リッツ線、40…スペーサ、100…コイルアセンブリー、101,101c,201,901…空芯領域、102,202,902…有効コイル部、103,903…第1コイルエンド部、104,904…第2コイルエンド部、105,905…回路結線端子、106,107…絶縁層、110,,110,110,210,210,210,210,210,310,410…コイル用導線、111,311…(コイル用導線の)一端側、112,312…(コイル用導線の)他端側、121,121a,121b,121c,221,321,421,921…上底部、122,122a,122b,122c,222,322,422,922…下底部、123,123a,123b,123c,223,224,923,924…脚部、123d,223d,323d,423d,923a,924a…段差、130,230,230,230,330,430…第1エンド部材、131,331…(第1エンド部材の)開口部、132,142…連結部(オーバーラップ部)、133…渡り部、134,934,944…巻回方向転換部、137,147…かしめ部、140,240,240,240,240,340,340,340,440…第2エンド部材、141,341…(第2エンド部材の)開口部、710…ロッド、710a…ロッドの他端側、710b…ロッドの一端側、720…固定部材、730…永久磁石ペア、740…試料固定台


図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13