JP5191846B2 - 円形多段コイル及びその巻線方法 - Google Patents

Description

本発明は、平角電線をディスク巻きし、積層する円形多段コイル（直線部分が短い矩形多段コイルを含む）、及び平角電線を成形し当該円形多段コイルに巻線する際の巻線方法に関する。

従来、多段コイルの製作を効率的に行うために、モータ動力を用いて、平角電線を対状の圧延ローラにより板厚方向に圧延した後、同心状に巻き回して環状コイルを形成することが行われている。対状の上記圧延ローラは、コイルの曲線部の曲率半径に合せて平角電線の板厚方向への押当て角度を可変させる技術が提案されている（特許文献１参照）。

変圧器などに用いられる環状コイルに係り、特に、導体素線の断面形状を変形させてコイルのコーナー部などの曲線状部分を形成する技術として、環状コイルの曲線状部分を形成するコイル素線部分に対しては、第１のローラによりコイル素線を、その断面内で環状コイルの内周側寄りの部分よりも外周側寄りの部分の変形量を多くして圧延し長さ方向に曲げ変形させた後、さらに、第２のローラにより、上記断面変形された素線部分を長さ方向に曲げ変形させることが提案されている（特許文献２）。環状コイルのコーナー部など曲率半径が小さい、或いは圧延ローラによる板厚方向の圧延変形量が多い曲線状部分（曲線部）においても、絶縁被覆の破壊や導体占積率の低下などが生じないようにして、絶縁被覆の破壊をなくすとともに低損失化などを可能としている。

平角電線をディスク巻きし多段に積層したコイルが鳥瞰図である図５に示されている。平角電線１を巻線するには、１周巻かれる間に平角電線１の成形を電線幅分だけ変化させて外周から内周に巻いて行き、この成形動作を所定の列数繰り返し、その後、この逆の成形動作で、内周から外周に巻き付ける。これを所定の段数積上げ積層することで多段コイルが製作される。このコイルの平角電線１を積層させるためには、成形されて来る平角電線１をずれなく整列させながらディスク巻き、積層させる必要がある。

図６は変圧器用多段コイルの巻線装置の一例を示す全体概略図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図である。図６に示すように、巻線装置においては、電線ドラム１ａに巻かれていた平角電線１は、電線ドラム１ａから繰り出されて平角電線成形部２に供給される。平角電線成形部２は、平面内での位置が調整可能であるとともに、コイルの積層に合わせてねじ機構のような機構によって昇降可能に設けられている。平角電線１の供給部は、送り装置と各種の案内ローラとを備えている。平角電線１は、送り装置によって所定量送りながら成形部２に送られる。成形された平角電線３は、平角電線積層部４においてディスク巻きされながら積層されて、多段コイルが製造される。

図７は、図６に示す巻線装置の平角電線成形部２を詳細に示し、平角電線成形の原理を説明する斜視図である。図７に示すように、成形部２は、成形前において平角電線１を幅方向に挟んでその送り込みを案内する幅ガイドローラ７，７と、送り込みが案内された平角電線１を厚み方向に挟んで圧延する圧延ローラ８，８と、平角電線１を再度幅方向に挟んで成形する成形ローラ９，９，９とを備えている。図示しなしが、成形後において、平角電線１の送り出しを案内する一群のガイドローラを備えることができる。

圧延ローラ８，８は、ディスク巻きの曲線部となる部分について圧延加工をするものであり、曲線部の曲率径方向外側ほどより強く圧延して延ばすことにより、曲線化を行う。したがって、幅ガイドローラ７，７は、幅方向の位置ガイドを正確にするものである。本例では、平角電線積層部４は円形状のコイルとして巻き取るので、直線状に送られてきた平角電線１を常に圧延ローラ８，８で圧延成形して、湾曲した電線に成形する。一群のガイドローラは、湾曲した電線を平角電線積層部４へのディスク巻き状に降下案内して積層させる。

図８及び図９は、それぞれ、このような装置で製造された矩形多段コイルと円形多段コイルの一例を示す鳥瞰図である。図８に示す矩形多段コイルおいては、コーナー部６及び直線部５の繰り返しで平角電線１を成形し、限られた辺、又は限られたコーナー部で平角電線１の成形を変化させ、ディスク巻きをし、更に積層させている。

図１０及び図１１は、それぞれ矩形多段コイルの巻き方を説明する図である。図１０及び図１１に示すように、上記した従来の巻線方法では、図１０（ａ），図１１（ａ）に示す外側から内側へとコイル巻きしたディスクと、図１０（ｂ），図１１（ｂ）に示す内側から外側へとコイル巻きしたディスクとが重ねられて、図１０（ｃ），図１１（ｃ）に示す矩形多段コイルが製作されるが、上側と下側の両ディスクにおいて、変化しないコーナー部６ａと直線部５ａとがあり、その部分で成形された平角電線１を揃え、整列させ矩形多段コイルを完成させることができる。しかしながら、それ以外のところでは、上下で重なりがずれた、又は重なりが実質的にない部分が生じる。

図１２には、図９に示すような円形多段コイルの巻き方を説明する図である。図１２に示すように、円形多段コイルの場合には、以下の製作方法が一般的である。即ち、平角電線１を図１２（ａ）に示すように、外周から徐々にＲ径を小さくし、１周巻かれる間に平角電線１が先に円弧成形した平角電線１の内側になるようにする。この動作を所定の列数行い、その後、その逆の図１２（ｂ）に示すように内側から外側に向かって平角電線１を円弧成形する。この図１２（ａ）、図１２（ｂ）の動作を繰り返し、ディスク巻きをし（図１２（ｃ））、それを積層させる。図１２に示す方法は、直線部分５ａが短い矩形多段コイルを製作する場合にも適用される。

しかしながら、この方法では、平角電線１の円弧成形が徐々に変化しており、段毎に平角電線１が外側から内側、又は内側から外側に変化しているため、段毎に整列させることが困難である。また、平角電線１を円弧成形している部分から積層される間に円周方向のずれ（ねじれ）が発生した場合、合わせる部分が判らなく、更に整列、積層が困難となる。このように、円形多段コイル、又は直線部分が短い矩形多段コイルの場合には、量産生産は不可能であった。
特許第３９９６００５号公報 特開２００６−１９６６８２号公報

そこで、円形多段コイル（直線部分が短い矩形多段コイルを含む）及びその巻線方法において、占積率を落とすこと無く平角電線を段毎に容易に整列させ、積層させる巻線方法が求められており、この発明の目的は、占積率を落とすこと無く、平角電線を段毎に容易に整列させることを可能にする円形多段コイル及びその巻線方法を提供することである。

この発明による円形多段コイルは、平角電線を外周から内周、その後内周から外周へ線幅分だけ径方向に変化させてディスク巻きし、これを繰り返して当該ディスクを複数段積上げて成る円形多段コイルにおいて、ディスク巻きされる前記平角電線を、前記ディスクの周方向で見て、円弧形状を変化させない角度範囲と前記線幅分だけ円弧形状を変化させた角度範囲とに区分し、前記各ディスクの前記円弧形状を変化させない角度範囲同士及び前記円弧形状を変化させた角度範囲同士とを揃えて互いに積上げたことから成ることを特徴とする。

また、この発明による円形多段コイルの巻線方法は、円形多段コイル、又は直線部分が短い矩形多段コイルの巻線において、外周から内周、又は内周から外周に、１周巻く間に平角電線を電線幅分変化させて巻き付ける際、平角電線の円弧成形を変化させる部分を、１箇所又は数箇所に限定して平角電線を巻く。

この発明による円形多段コイル及びその巻線方法によれば、この円弧成形を変化させる部分、即ち、円弧形成の曲率半径を変化させる部分を限定することにより、段毎に平角電線が外側から内側に、或いは内側から外側と異なる円弧形状している部分（範囲）と、全ての段において同一の円弧形状している部分（範囲）とが発生する。この全ての段において同一の円弧形状している部分（範囲）については、同一の曲率半径、即ち、同じ形状を有しているので、これを利用して、積層した際には容易に平角電線を揃え、整列させることが可能である。また、外側から内側に、或いは内側から外側と異なる円弧形状している部分については、従来、揃えることが困難であったが、同一の円弧形状している部分を揃えることにより、異なる円弧形状している部分も必然的に揃うようになり、容易に平角電線を積層することが可能である。この発明によるコイルの巻線方法は、巻線の状態が円形多段コイルである場合のみならず、直線部分が短い矩形多段コイルについても同様に適用可能である。以下、「円形多段コイル」というときは、「直線部分が短い矩形多段コイル」を含むものとする。

本発明による円形多段コイル及びその巻線方法は、円形多段コイルの巻線において、平角電線を円弧状に成形したものを容易に揃え、積層することが容易となり、量産生産することが可能になる。更に、本発明による円形多段コイル及びその巻線方法では、徐々に円弧形状を変化させる場合と比較して、上下のディスク間で重なり部分が多くなり、平角電線の占積率において向上するため、材料費低減及びコイル特性向上を達成することができる。

以下、図面を参照して、この発明による円形多段コイル及びその巻線方法の実施例について説明する。なお、巻線装置については、図６、図９に示すものと同等のものを採用することができるので、ここでの再度の説明を省略する。

実施例として、図１（ｃ）に示すような平角電線１の円弧形状を変化させる部分を限定した円形多段コイルについて説明する。図１（ｃ）に示すコイルは、同一円弧部分１０ｃと、変化させる円弧部分１１ｃの２箇所から成るディスク状に平角電線１をディスク巻きし、積層させたコイルである。

まず、図１（ａ）に示すように、平角電線１を外側から内側に順次径方向に隙間を詰めながらディスク状に成形する。即ち、平角電線１は、最外周の同一円弧形状（同一の曲率半径を有する）に限定した範囲１０ａで成形される。この例では、範囲１０ａは全体の４分の３に相当する２７０度の角度範囲である。次の範囲１１ａで平角電線１が最外周の円弧より線幅分内側になるように円弧成形する。範囲１１ａは、この例では残る４分の１に相当する９０度の角度範囲である。範囲１１ａにおいては、当該限定範囲の開始点から終了点までに、平角電線１の円弧は、既に巻かれた平角電線１の内側になるように成形すれば良い。当該円弧の曲率半径は、開始点では範囲１０ａでの曲率半径と同じであるが、終了点では平角電線１の幅だけ短くなっている。この動作を所定列数繰り返すことで、平角電線１はディスク巻きされる。

その後、図１（ｂ）に示すように、この逆動作で内側から外側に順次径方向に隙間を詰め、範囲１０ｂでは同一円弧形状（同一の曲率半径を有する）であり、次の範囲１１ｂで平角電線１が最外周の円弧より線幅分内側になるように円弧成形する。これを繰り返して平角電線１をディスク巻きしてディスク状に形成し、全ての段において，範囲１０ａ，１０ｂについてそれぞれ同一の円弧形状している部分を揃えながら積層することで、円形多段コイルが完成する。

このように、従来のように、平角電線１の円弧成形を１周巻く間に徐々に変化させ、最終的に電線幅分を変化させるのではなく、この発明では、段毎に、円弧成形を変化させる部分（範囲１１ａ，１１ｂ）を限定することにより、平角電線が外側から内側に、又は内側から外側と異なる円弧形状に変化している部分（範囲１１ａ，１１ｂ）と、全ての段において同一の円弧形状している部分（範囲１０ａ，１０ｂ）とが発生し、このうち、全ての段において同一の円弧形状している部分（範囲１０ａ，１０ｂ）は、上下のディスク間で丁度重なり、容易に平角電線１を揃え、整列させることが可能である。揃えることが従来困難であった、外側から内側へ、或いは内側から外側へと異なる円弧形状に変化している部分についても、同一の円弧形状している部分（範囲１０ａ，１０ｂ）を揃えることにより、必然的に揃うようになり、容易に平角電線１を積層することが可能である。

本発明によれば、円形多段コイルの巻線において、平角電線１を円弧状に成形したものを容易に揃え、積層することが容易となり、量産生産することが可能である。更に、図１２示した徐々に平角電線１の円弧形状を変化させる方法では、４列を想定した円形多段コイルであるが、コイルの一部分の列１２ｂを４列にすると、コイルの他の部分での列１２ａが５列となる。しかし、本発明の巻線方法（図１（ｃ））では、列１３ａ、列１３ｂ共に４列となり、平角電線１の占積率が向上するため、材料費低減、コイル特性向上にもつながる。

図２には、この発明による別の円形多段コイル（及びそ）の巻線方法の別の実施例が示されている。図２に示す実施例においては、範囲１１ａの開始点と終了点との間は直線で結ばれた範囲１４ａ，１４ｂ，１４ｃとなっている（図２（ｃ））。この実施例では、コイルの全体の形状がＤ型となっており、その分、平角電線１の占積率が悪く、コイル特性の悪化が考えられる。しかしながら、実際の特性上、特に問題なければ、実現可能である。また、この実施例では、平角電線１が円弧、直線、円弧、直線、というように繰り返されることになり、自動連続成形には不向きである。

図３には、この発明による別の円形多段コイル（及びそ）の巻線方法の更に別の実施例が示されている。図３に示す実施例においては、範囲１１ａの開始点と終了点との間は多角形の直線で結ばれた範囲１５ａ，１５ｂ，１５ｃとなっている（図３（ｃ））。この実施例では、実施例２よりはコイルの全体形状が円形に近くなり、平角電線１の占積率が向上し、コイルの特性も改善され、実現可能である。しかし、実施例２と同様に、平角電線１が円弧、直線、直線、円弧、直線、直線、というように繰り返されることになり、自動連続成形には不向きである。

図４には、この発明による別の円形多段コイル（及びそ）の巻線方法の更に別の実施例が示されている。図４に示す実施例においては、範囲１１ａの開始点と終了点との間は多分割の円弧で結ばれた範囲となっている。この範囲は、外側から内側へディスク巻きをする場合には、範囲１１ａ−１と範囲１１ａ−２で２分割の円弧となっており、内側から外側へディスク巻きをする場合には、範囲１１ｂ−１と範囲１１ｂ−２で２分割の円弧となっている。この実施例では、コイル形状もほぼ円形となり、占積率を落とすこと無く、円形多段コイルの製作が可能である。更に、多分割された円弧同士を接線で結ぶ様な軌跡を描くことにより、より占積率の良いコイル形状になる。また、平角電線１が円弧、円弧、円弧、というように繰り返されることになり、自動連続成形が可能である。
範囲１１ａを２分割し、円弧を接点でつながるような軌跡とした時の計算式を以下に示す。ただし、Ｒ_１，Ｒ_２は分割円弧の接続前後のそれぞれの半径であり、Ｒは円弧Ｒ_１についてのコイル中心（図の原点位置）からの図示のような基準半径であり、Ａは平形電線の電線幅である。また、ｙはコイル中心（図の原点位置）からの半径Ｒ_１，Ｒ_２で定められる円弧中心までの距離である。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、それぞれ（１）〜（３）、及び（１１）〜（１３）が成立し、これらの式から、半径Ｒ_１，Ｒ_２及び距離ｙを、それぞれ（５）〜（７）及び（１５）〜（１７）に示すように、基準半径Ｒ及び電線幅Ａで表すことができる。
図４（ａ）の場合、
４５°の線上において Ｒ_２＝Ｒ_１＋ｙ√２ ・・・（１）
９０°の線上において −Ａ＋Ｒ＝Ｒ_２−ｙ ・・・（２）
０°の線上において Ｒ＝Ｒ_１＋ｙ ・・・（３）
（１）と（２）からＲ_２を消去すると、
−Ａ＋Ｒ＝Ｒ_１＋ｙ（√２−１）・・・（４）
（３）と（４）からｙを消去すると、
（２−√２）Ｒ＝Ａ＋（２−√２）Ｒ_１
よって、 Ｒ_１＝Ｒ−（２＋√２）×Ａ／２ ・・・（５）
Ｒ_２＝Ｒ＋（√２）×Ａ／２ ・・・（６）
ｙ＝Ｒ−Ｒ_１＝（２＋√２）×Ａ／２・・・（７）
図４（ｂ）の場合、
４５°の線上において Ｒ_２＝Ｒ_１＋ｙ√２ ・・・（１１）
９０°の線上において Ａ＋Ｒ＝Ｒ_１＋ｙ ・・・（１２）
０°の線上において Ｒ_２＝Ｒ＋ｙ ・・・（１３）
（１）と（３）からＲ_２を消去すると、
ｙ＝（√２＋１）（Ｒ−Ｒ_１）・・・（１４）
（２）と（４）からｙを消去すると、
Ａ＋Ｒ＝Ｒ_１＋（√２＋１）（Ｒ−Ｒ_１）
よって、 Ｒ_１＝Ｒ−（√２）×Ａ／２ ・・・（１５）
Ｒ_２＝Ｒ＋（２＋√２）×Ａ／２・・・（１６）
ｙ＝Ａ＋Ｒ−Ｒ_１＝（２＋√２）×Ａ／２・・・（１７）

範囲１１ａの開始点と終了点との間の円弧を徐々に変化させて結ぶ方法がある。この実施例でもコイルの全体形状はほぼ円形となり、占積率を落とすこと無く、円形多段コイルの製作が可能である。また、平角電線１が円弧であるため自動連続成形が可能である。

本発明はモールド変圧器の、円形多段コイル、又は直線部分が短い矩形多段コイルの巻線において、円弧状に成形した平角電線の積層を容易することで、生産性を向上させ量産が可能となる。更に、平角電線の占積率が向上し材料費低減、コイル特性向上となる、円形多段コイル、又は、直線部分が短い矩形多段コイルの巻線方法に関する。

円形多段コイルの限定した部分で円弧を変化させた時の平面図。 円形多段コイルの限定した部分を直線で変化させた時の平面図。 円形多段コイルの限定した部分を直線多角形で変化させた時の平面図。 円形多段コイルの限定した部分で円弧を変化させた時の円弧計算式。 円形多段コイルの鳥瞰図。 多段コイル電線加工の原理図。 矩形多段コイルの鳥瞰図。 円形多段コイルの鳥瞰図。 平角電線成形の原理図。 矩形多段コイルの巻き方の平面図。 矩形多段コイルの巻き方の平面図。 円形多段コイルの全周で円弧を変化させた時の平面図。

符号の説明

１：平角電線 ２：平角電線成形部
３：成形した平角電線 ４：平角電線積層部
５：直線部 ５ａ：直線部（平面図）
６：コーナー部 ６ａ：コーナー部（平面図）
７：幅ガイドローラ ８：圧延ローラ
９：成形ローラ
１０ａ：同一円弧形状部（外側→内側）
１０ｂ：同一円弧形状部（内側→外側）
１０ｃ：同一円弧形状部（外側→内側、内側→外側）
１１ａ：円弧を変化させる部分（外側→内側）
１１ａ−１：変化させる円弧１（外側→内側）
１１ａ−２：変化させる円弧２（外側→内側）
１１ｂ：円弧を変化させる部分（内側→外側）
１１ｂ−１：変化させる円弧１（内側→外側）
１１ｂ−２：変化させる円弧２（内側→外側）
１１ｃ：円弧を変化させる部分（外側→内側、内側→外側）
１２ａ：平角電線の列数 １２ｂ：平角電線の列数
１３ａ：平角電線の列数 １３ｂ：平角電線の列数
１４ａ：平角電線を直線で変化（外側→内側）
１４ｂ：平角電線を直線で変化（内側→外側）
１４ｃ：平角電線を直線で変化（内側→外側、外側→内側）
１５ａ：平角電線を多角形で変化（外側→内側）
１５ｂ：平角電線を多角形で変化（内側→外側）
１５ｃ：平角電線を多角形で変化（内側→外側、外側→内側）

Claims (10)

1. 平角電線を外周から内周、その後内周から外周へ線幅分だけ径方向に変化させてディスク巻きし、これを繰り返して当該ディスクを複数段積上げて成る円形多段コイルの巻線方法において、
   ディスク巻きされる前記平角電線を、前記ディスクの周方向で見て、円弧形状を変化させない角度範囲と前記線幅分だけ円弧形状を変化させた角度範囲とに区分し、
   前記各ディスクの前記円弧形状を変化させない角度範囲同士及び前記円弧形状を変化させた角度範囲同士を揃えて互いに積上げたことから成ることを特徴とする円形多段コイルの巻線方法。
2. 請求項１に記載の円形多段コイルの巻線方法において、
   前記平角電線の前記円弧形状を変化させた角度範囲は、曲率半径を徐々に変化させた円弧形状で成ることを特徴とする円形多段コイルの巻線方法。
3. 請求項１に記載の円形多段コイルの巻線方法において、
   前記平角電線の前記円弧形状を変化させた角度範囲は、直線形状で成ることを特徴とする円形多段コイルの巻線方法。
4. 請求項１に記載の円形多段コイルの巻線方法において、
   前記平角電線の前記円弧形状を変化させた角度範囲は、径方向外側に凸となる折れ線形状で成ることを特徴とする円形多段コイルの巻線方法。
5. 請求項１に記載の円形多段コイルの巻線方法において、
   前記平角電線の前記円弧形状を変化させた角度範囲は、複数の曲率半径の円弧形状を繋げて成ることを特徴とする円形多段コイルの巻線方法。
6. 平角電線を外周から内周、その後内周から外周へ線幅分だけ径方向に変化させてディスク巻きし、これを繰り返して当該ディスクを複数段積上げて成る円形多段コイルにおいて、
   ディスク巻きされる前記平角電線を、前記ディスクの周方向で見て、円弧形状を変化させない角度範囲と前記線幅分だけ円弧形状を変化させた角度範囲とに区分し、
   前記各ディスクの前記円弧形状を変化させない角度範囲同士及び前記円弧形状を変化させた角度範囲同士を揃えて互いに積上げたことから成ることを特徴とする円形多段コイル。
7. 請求項６に記載の円形多段コイルにおいて、
   前記平角電線の前記円弧形状を変化させた角度範囲は、曲率半径を徐々に変化させた円弧形状で成ることを特徴とする円形多段コイル。
8. 請求項６に記載の円形多段コイルにおいて、
   前記平角電線の前記円弧形状を変化させた角度範囲は、直線形状で成ることを特徴とする円形多段コイル。
9. 請求項６に記載の円形多段コイルにおいて、
   前記平角電線の前記円弧形状を変化させた角度範囲は、径方向外側に凸となる折れ線形状で成ることを特徴とする円形多段コイル。
10. 請求項６に記載の円形多段コイルにおいて、
    前記平角電線の前記円弧形状を変化させた角度範囲は、複数の曲率半径の円弧形状を繋げて成ることを特徴とする円形多段コイル。

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