JP5499349B2 - 巻線構造及びそれを用いた電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、電動機及び発電機等の回転機器、変圧器といった電気機器の巻線に使用する巻線構造及びそれを用いた電気機器に関する。

電動機、発電機等の回転機器では回転子又は固定子に巻線が巻装されて用いられており、変圧器等の電気機器では第一次及び第二次コイルとして巻線が用いられている。こうした巻線は、ボビンや鉄芯の軸体の周囲に電線等の線材を巻き付けて製造される。軸体への線材の巻き付け方法としては、軸体を回転させながら軸体の周囲に線材を巻き付ける軸回り方式及び軸体を固定して線材を軸体の周囲に繰り出しながら巻き付けるフライヤ方式が実用化されている。

軸回り方式及びフライヤ方式では、線材を重ね巻していく場合巻線の内周側から巻き始めて順次外周に重ね巻しながら外周側で巻き終わるように作成される。作成された巻線は、巻き始めの線材を内周側から外方に引き出すためのスペースが必要となるため、こうした無駄なスペースをなくして巻線の占積率を向上させるために、様々な巻き付け方式が提案されている。例えば、特許文献１では、平角状断面を持つ絶縁被覆電線を、内側を巻き始めとして一層重ね巻したものを二つ一組として、それぞれの巻き始め部を接続したものを基本コイルとし、基本コイルを複数個重ね合せた巻線が記載されている。また、特許文献２では、平型導線の長手方向の中間部をティース部鉄芯に交差させた後、平型導線の両端部までを互いに逆方向に巻回して巻き付けた巻線が記載されている。また、特許文献３では、導線を所定長突出させて根元を固定し、押圧具で導線の突出部を直角方向に折り曲げて、中央に空間部ができるように渦巻状にアルファ巻きで巻いてなる渦巻体を複数個横方向に並べて配置されたコイルを製造する点が記載されている。

特開２００４−７２８２４号公報 特開２００６−１０９６５９号公報 特開２００９−７１９３９号公報

上述した特許文献１及び２では、重ね巻した二層を単位として複数配列することで巻線を構成するようにしているが、線材の巻き付けにより重ね巻を行っているため、巻き付けた線材のスプリングバックの作用により線材の間に隙間が生じるようになって占積率を低下させる。また、単位となる二層を複数配列した場合に隣接する二層の間では、外周側に引き出された線材の終端部をハンダ付け等により接続する必要がある。そのため、巻線の外周側に接続部分のためのスペースが必要となる。また、接続部分があることにより絶縁処理が必要になり、接続部分での巻線抵抗が大きくなる、といったデメリットがある。

特許文献３では、導線を折り曲げて渦巻体を構成しているため、渦巻体のコーナーに形成されたアール部において隣接するターンとの間に隙間が生じるようになっており、こうした巻線を固定子や回転子に用いた場合固定子や回転子のサイズが大きくなって小型化の点で難点がある。また、導線を折り曲げる際に、折り曲げ部分や押圧部分において導線の表面に形成された絶縁被膜が破損して絶縁性が確保できなくなるおそれがある。

本発明は、こうした従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、巻線の占積率を向上させるとともに接続による巻線抵抗の増加のない巻線構造を提供することにある。

本発明に係る巻線構造は、螺旋状に周回するように変形された１本の連続する線材を部分的に渦巻き状に重ね合せて形成された複数の巻層部を厚さ方向に密着して配列してなり、前記巻層部は、曲線部分において前記線材が内周側から外周側に向かって順次曲率を小さくなるように形成されて前記線材が全周にわたって密着するように重ね合わされている。さらに、両端部以外の前記巻層部は、一方の側に隣接する前記巻層部と外周側において前記線材が連続して連結しているとともに他方の側に隣接する前記巻層部と内周側において前記線材が連続して連結している。さらに、少なくとも１つの前記巻層部は、他の前記巻層部と前記線材の周回数が異なっている。さらに、前記線材は、平角状断面を有している。さらに、前記線材は、前記曲線部分及び直線部分が交互に形成されて螺旋状に周回するように変形されている。

本発明に係る電気機器は、上記の巻線構造を備えている。さらに、少なくとも１つの前記巻層部の周回数が異なる複数種類の前記巻線構造を備えている。さらに、少なくとも１つの前記巻線構造の前記巻層部の数が異なっている。さらに、連続する１本の前記線材により複数の前記巻線構造が形成されている。さらに、前記線材により複数の前記巻線構造を接続する渡り線が形成されており、前記渡り線は、周方向に配置された複数の前記巻線構造の内径側又は外径側において接続している。さらに、前記線材により複数の前記巻線構造を接続する渡り線が形成されており、前記渡り線は、周方向に配置された複数の前記巻線構造の内径側及び外径側を接続するとともに前記巻線構造と交差するように前記巻線構造に沿って配線されている。

本発明は、上記のような構成を有することで、巻線の占積率を向上させるとともに、１本の線材により構成されているので、線材の接続部分に伴う巻線抵抗の増加が生じることがない。

本発明に係る巻線構造に関する外観斜視図である。 巻線構造の正面図、側面図及び底面図である。 巻線構造を構成する線材の形状を示す斜視図である。 図３に示す螺旋状に変形された線材を側面からみた模式図である。 支持体に本実施形態の巻線構造を挿着した場合及び同じ支持体に線材を重ね巻きにより巻き付けて巻線構造を形成した場合に関する説明図である。 線材を螺旋状に変形させる成形装置に関する概略構成図である。 巻線構造に関する形状を示す説明図である。 回転機器に巻線構造を用いた概略構成図である。 図８に示す固定子の同相のコイルの接続に関する説明図である。 図８に示す固定子の同相のコイルの接続に関する説明図である。 回転機器に別の巻線構造を用いた概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る巻線構造に関する外観斜視図であり、図２は、巻線構造の正面図（図２（ａ））、側面図（図２（ｂ））及び底面図（図２（ｃ））である。巻線構造１は、螺旋状に周回するように変形された１本の連続する線材２を部分的に渦巻き状に重ね合せた複数の巻層部３を厚さ方向に密着して配列して構成されている。この例では、巻線構造は、内部に空間が形成されており、回転機器の場合にはティース等の支持体に挿着されるようになっている。また、変圧器の場合には鉄芯に挿着されるようになっている。巻層部３は、線材２を渦巻き状に重ね合せて密着させて構成されており、隣接する巻層部３とは、内周側又は外周側で線材２により連続して連結されている。そして、両端部の巻層部３の外周側又は内周側に線材２の端部が配置されている。ここで、巻層部３の厚さ方向とは、渦巻き状に重ね合せた線材２の両側に接する積層面に直交する方向で、この例では平角状断面の線材２の断面の長辺方向となり、図１に示すＴ−Ｔ方向である。

線材２は、従来巻線に使用されている銅等の導電性材料を線材化し、周囲にエナメル等の絶縁性材料からなる被膜が形成されている。なお、絶縁性被膜の代わりに線材２の周囲に絶縁性テープを巻き付けて絶縁化することもできる。線材２の形状としては、断面形状が円形となる丸線、矩形状となる平角線といったものが挙げられるが、これ以外の形状のものを用いることもでき、特に限定されない。なお、本実施形態では、平角状の断面形状を有する線材を使用している。平角状の線材では、断面形状が長方形となるため、線材の変形方向を示す場合に長方形の短辺に沿う方向を短辺方向といい、長方形の長辺に沿う方向を長辺方向として説明する。また、線材２の太さについても様々な太さのものを使用することが可能で、後述するように、押圧により変形可能な太さであれば、線材として使用することができる。

巻層部３は、図２（ａ）に示すように、平角状断面の線材２を断面の短辺方向に直角に湾曲するように変形させて渦巻き状に重ね合せて構成されている。ここで、「渦巻き状」とは、１本の線材２が周回しながら重なり合うように積層した状態をいう。これに対して、「螺旋状」とは、後述するように、１本の線材２が周回しながら積層せずに巻層部３の厚さ方向にずれている状態をいう。なお、この例では、線材２を断面の短辺方向に湾曲させているが、線材２を断面の長辺方向に湾曲させて渦巻き状に重ね合せることで巻層部３を構成することもできる。

この例では、巻層部３は４周の周回部分からなり、各周回部分は線材２を４箇所で直角方向に湾曲変形させ、巻層部３の厚さ方向からみて角部が丸められた矩形状に形成されている。各周回部分の４つの角部は所定の曲率の曲線部分３ａに形成されており、４つの辺部は直線状に形成されて、対向する辺部の一方の対が長さの長い長辺部分３ｂ、他方の対が長さの短い短辺部分３ｃとなっている。 そして、角部となっている曲線部分３ａは、内周側の周回部分から外周側の周回部分に向かって順次曲率が小さくなるように形成されて線材２が全周にわたって密着するように重ね合わされている。隣接する周回部分の線材２を互いに密着させるには、外周側に隣接する周回部分の曲線部分３ａの曲率に対応する曲率半径を、内周側に隣接する周回部分の曲線部分３ａの曲率に対応する曲率半径に線材２の断面の短辺方向の長さを加算した値に設定すれば、互いの曲線部分が密着するように形成することができる。また、隣接する巻層部３とは、内周側の連結部分３ｄ及び外周側の連結部分３ｅにおいて線材２が連続して連結されるようになっている。

巻層部３には、図２（ａ）に示す巻層部３０及び図２（ｄ）に示す巻層部３１があり、巻線構造１は、図２（ｂ）に示すように、巻層部３０及び３１を交互に配列して構成されて
いる。巻層部３０は、外周側から内周側に線材２を渦巻き状に重ね合せて内周側から連結部分３ｄにおいて線材２を連続させて巻層部３１に移行し、巻層部３１は内周側から外周側に線材２を渦巻き状に重ね合せて外周側から連結部分３ｅにおいて線材２を連続させて次の巻層部３０に移行するようになっている。

巻層部３０及び巻層部３１は、それぞれの長辺部分３ｂ及び短辺部分３ｃが側端で互いに突き当るように当接しており、互いの線材２が入り込むことがなく、安定した状態で密接配置される。また、巻層部３０及び巻層部３１は、連結部分が配置されない短辺部分３ｃ（図２（ａ）及び図２（ｄ）では上側）の両端部の曲線部分３ａがそれぞれ同一形状に形成されて互いに突き当るように当接して密接配置されている。一方、連結部分が配置されている短辺部分３ｃ（図２（ａ）及び図２（ｄ）では下側）の両端部の曲線部分３ａは、巻層部３０では内周側に連結部分３ｄが配置されているため、巻層部３１と曲線部分がずれて配置されるようになっているが、短辺部分３ｃは互いに突き当るように当接されているので、互いの線材が入り込むことなく安定した状態で密着配置されている。

なお、この例では、巻層部３０及び３１は、同じ周回数に設定されているが、それぞれ周回数を設定することができるため、隣接する巻層部に対して周回数を増減させることも可能となる。そして、周回数を増減させる場合に周回数の増減分を外周側に配置したり内周側に配置することで、隣接する巻層部同士が中間部分において線材２を互いに突き当るように当接して密着した状態に維持することができ、巻層部を安定した状態で密着配置させた巻線構造を得ることができる。

このように各巻層部の線材を渦巻き状に密着配置するとともに巻層部間においても密着配置することができるので、巻線構造の占積率を向上させることができる。また、一方の短辺部分に連結部分を内周側及び外周側に配置することで、長辺部分及び短辺部分の密着配置に影響を与えることなく連続する１本の線材により各巻層部を連結することができる。

図３は、巻線構造１を構成する線材２の形状を示す斜視図である。線材２は、螺旋状に周回するように変形されており、巻層部３の厚さ方向Ｔ−Ｔと同じ方向にずれるように展開されている。この例では、１本の連続する線材２を、巻層部３を構成する、直角方向に湾曲した曲線部分３ａ、長辺部分３ｂに対応する直線部分、直角方向に湾曲した曲線部分３ａ、短辺部分３ｃに対応する直線部分、・・・を繰り返して成形することで、巻層部３の厚さ方向に螺旋状に形成することができる。そして、曲線部分３ａについては、内側の周回部分に対応する曲線部分の曲率が隣合う外側の周回部分に対応する曲線部分の曲率よりも大きくなるように湾曲形成されている。

図４は、図３に示す螺旋状に変形された線材２を側面からみた模式図である。直線部分３ｂが巻層部３の厚さ方向Ｔ−Ｔを中心にジグザグ状の折れ線状に描かれており、両側の折れ曲った箇所が曲線部分３ａ及び短辺部分３ｃに対応する直線部分に対応するようになっている。線材２は、連続する２つの変形領域Ｆ１及びＦ２を繰り返して螺旋状に変形されている。変形領域Ｆ１は、巻層部３０に対応しており、外側から内側に向かって螺旋状に周回するように変形している。そして、変形領域Ｆ１では、上述したように曲線部分３ａの曲率を内側に行くに従い大きくなるように湾曲形成している。また、変形領域Ｆ１に続く変形領域Ｆ２は、巻層部３１に対応しており、内側から外側に向かって螺旋状に周回するように変形している。そして、変形領域Ｆ２では、上述したように曲線部分３ａの曲率を外側に行くに従い小さくなるように湾曲形成している。

そして、変形領域Ｆ１から変形領域Ｆ２に移行する部分では、変形領域Ｆ１側の変形箇所ｆ２は直線部分及び曲線部分が内側に重なり合うように形成されているが、変形領域Ｆ２側の変形箇所ｆ３は変形領域Ｆ１の変形箇所ｆ１と突き当るように同一の形状に形成されているため、巻層部３０に隣接して巻層部３１を形成することができる。また、変形領域Ｆ２から変形領域Ｆ１に移行する部分では、変形領域Ｆ２側の変形箇所ｆ５は外側に重なり合うように形成されているが、変形領域Ｆ１側の変形箇所ｆ６は変形領域Ｆ２の変形箇所ｆ４と突き当る形状に形成されているため、巻層部３１に隣接して巻層部３０を形成することができる。

また、変形領域Ｆ１及びＦ２は、それぞれ独立して周回数を増減させることができるため、各巻層部の周回数を適宜設定することが可能となる。例えば、巻層部の周回数を順次増加させたり、一部の巻層部のみ周回数を増加させることができる。また、すべての巻層部の内周側の連結部分を除いた周長を同一に設定すれば、巻線構造をティース等の支持体に容易に挿着することができ、安定した状態で支持されるようになる。

以上のように、巻層部３の周回部分を１本の連続した線材２で渦巻き状に重ね合せ、曲線部分及び直線部分の線材２を全周にわたって密着させるとともに巻層部同士を密着して配列させているので、占積率の高い巻線構造を得ることができる。例えば、図５は、回転機器において使用するティース等の矩形状の支持体Ｓに本実施形態の巻線構造１を挿着した場合（図５（ａ））及び同じ支持体Ｓに線材を重ね巻きにより巻き付けて巻線構造１００を形成した場合（図５（ｂ））を示している。支持体Ｓに線材を巻き付ける巻線構造１００の場合には、巻き付けた後にスプリングバックにより線材が膨らんで楕円形状となる。これに対して、本実施形態の巻線構造１では、スプリングバック後の形状が支持体Ｓの外周面に合うように螺旋状に変形させた線材を用いて構成されているので、巻線構造に成形した後ではスプリングバックによる変形が生じなくなる。そのため、図５（ｂ）に示すように、支持体Ｓの外周面に合致させた巻線構造を得ることができる。本実施形態の巻線構造１の周回数と同じ数だけ重ね巻した巻線構造１００と比較した場合、本実施形態では約１０％の占積率の向上を図ることができる。

図６は、線材２を螺旋状に変形させる成形装置に関する概略構成図である。図６（ａ）は、線材２を一方向のみに変形させる成形装置を示している。成形装置は、線材を長手方向に沿って搬送する駆動ローラ１０及び駆動ローラ１０に対向配置された従動ローラ１１を有する搬送機構と、線材２を湾曲変形させる押込みローラ１２、押込みローラ１２に対向配置された支点ローラ１３及び支点ローラ１３の搬送方向上流側に配置された押えローラ１４を有する変形機構を備えている。搬送機構の駆動ローラ１０及び従動ローラ１１に挟持された線材２は、駆動ローラ１０を回転駆動することで、図示せぬ供給機構から繰り出されていき、長手方向に直線状になるように整形されながら搬送されていく。

搬送された線材２は、変形機構の押えローラ１４に接触しながら押込みローラ１２と支点ローラ１３の間を通過するように搬送される。押込みローラ１２、支点ローラ１３及び押えローラ１４はいずれも回転自在に軸支されており、押込みローラ１２は、図示せぬ移動機構により支点ローラ１３に近接・離間するように移動制御されて押込み動作を行う。押込みローラ１２が支点ローラ１３の線材２の搬送方向下流側に近接して、線材２の搬送経路と交差する方向に移動すると、線材２は、押込みローラ１２と支点ローラ１３との間を通過する際に押し込み方向に強制的に押し込まれて湾曲変形しながら搬送されるようになる。線材２を湾曲変形する際に、押えローラ１４により線材２が撓まないように押えられるので、線材２を精度よく変形させることができる。そして、線材２が湾曲変形しながら搬送される経路に沿ってガイド部材を設けて、ガイド部材に線材２を沿わせながら螺旋状に変形させる。

湾曲変形する場合の線材２の曲率は、搬送機構における線材２の搬送制御及び変形機構における押込みローラ１２の移動制御により設定される。押込みローラ１２の移動量を大きくするほど線材２は支点ローラ１３の周面に沿うように変形されてその曲率を大きくすることができる。そのため、支点ローラ１３の径を小さく設定して周面の曲率を大きくしておくことが好ましい。また、湾曲変形する変形長さは、押込みローラ１２の移動量及び移動時間並びに線材２の搬送量を調整して設定することができる。例えば、押込みローラ１２の押込み動作を間欠して行うように移動制御することで曲線部分及び直線部分を交互に形成することができる。また、押込みローラ１２を所定の押込み位置に維持すれば、線材２は円状に湾曲変形するようになる。

湾曲変形された線材２は、図６（ａ）では、紙面と垂直方向に螺旋状に時計回りに繰り出されていき、図示せぬ支持バーにより支持されるようになっている。

図６（ａ）では、線材２を断面の短辺方向に湾曲変形するようにしているが、線材２に対して断面の長辺方向から押込みローラ１２及び支点ローラ１３を接触させて長辺方向に湾曲変形させることもできる。また、押込みローラ１２の回転軸を線材２の搬送方向に対して傾斜させたり、押込みローラ１２の周面を円錐面状に傾斜させることで、線材２の断面の短辺方向及び長辺方向のいずれからも傾斜した斜行方向に湾曲変形することもでき、線材２を任意の方向に湾曲変形させることが可能である。また、支点ローラ１３の回転軸を線材２の搬送方向に対して傾斜させたり、支点ローラ１３の周面を円錐面状に傾斜させることで、線材２を任意の方向に湾曲変形させることもできる。そのため、線材２を螺旋状に変形させるために使用するガイド部材に代えて、押込みローラ１２又は支点ローラ１３の回転軸や周面を適宜設定して線材２を螺旋状に周回するように変形させることも可能である。

また、押込みローラ１２、支点ローラ１３及び押えローラ１４は、回転自在に軸支されているので、線材２に接触した際に線材２の表面に摺動することはなく、線材２の表面を傷つけずに湾曲変形することができる。特に、線材２の周面に絶縁被膜が形成されている場合には、絶縁被膜が成形する際に破損すると、巻線構造に形成した後に再度線材の絶縁処理を行う必要があるが、上述した成形装置では、絶縁被膜の破損を抑止して巻線構造の線材の絶縁性を確実に確保することができる。

本実施形態では、直角方向に湾曲変形した曲線部分を形成するため、押込みローラ１２の移動量及び線材２の搬送量を調整して曲線部分の曲率を調整することで、図３に示すような螺旋状に変形するように線材２を成形することができる。まず、変形領域Ｆ１に対応する第一変形工程を行う。最外周側に対応する長辺部分の長さ分だけ線材２を搬送した後、線材２を搬送しながら搬送方向と交差する方向に押込みローラ１２の押込み動作により押圧して線材２を断面の短辺方向に湾曲変形して所定の曲率の曲線部分を形成する。続いて短辺部分の長さ分だけ線材２を搬送した後、押込みローラ１２の押込み動作により所定の曲率の曲線部分を形成する。こうして線材２を連続搬送しながら、長辺部分−曲線部分−短辺部分−曲線部分を形成する変形処理を繰り返し行って、線材２を外側から内側に向かって螺旋状に周回するように変形させるとともに内側の曲線部分の曲率が隣合う外側の曲線部分の曲率よりも大きくなるように変形させて変形領域Ｆ１を形成する。

変形領域Ｆ１を形成した後引き続いて連結部分に対応する長さ分だけ搬送した後、押込みローラ１２による押込み動作により曲線部分を形成し、変形領域Ｆ２に対応する第二変形工程を行う。最内周側に対応する長辺部分の長さ分だけ線材２を搬送した後、押込みローラ１２の押込み動作により所定の曲率の曲線部分を形成する。続いて短辺部分の長さ分だけ線材２を搬送した後、押込みローラ１２の押込み動作により所定の曲率の曲線部分を形成する。こうして線材２を搬送しながら、長辺部分−曲線部分−短辺部分−曲線部分を形成する変形処理を繰り返し行って、線材２を内側から外側に向かって
螺旋状に周回するように変形させるとともに外側の曲線部分の曲率が隣合う内側の曲線部分の曲率よりも小さくなるように変形させて変形領域Ｆ２を形成する。変形領域Ｆ２を形成した後引き続いて連結部分に対応する長さ分だけ搬送した後、押込みローラ１２による押込み動作により曲線部分を形成する。

こうして、線材２を連続搬送しながら、上述した第一変形工程及び第二変形工程を交互に行うことで線材２を螺旋状に変形させていくことができ、効率よく成形を行うことができる。そして、成形された線材２に対して第一変形工程及び第二変形工程によるそれぞれの変形部分を渦巻き状に重ね合せて線材２同士を密着させて複数の巻層部を形成するとともに巻層部同士を密着配置させて巻線構造を製造する。

図６（ｂ）は、成形装置の変形例に関する概略構成図である。この例では、線材２を二方向に変形させる成形装置を示している。搬送機構は図６（ａ）と同様であるので、説明を省略する。変形機構は、線材２の搬送経路の一方の側に押込みローラ１２ｂ、支点ローラ１３ａ及び押えローラ１４ｂが配置され、他方の側に押込みローラ１２ａ、支点ローラ１３ｂ及び押えローラ１４ａが配置されている。押込みローラ１２ａ、支点ローラ１３ａ及び押えローラ１４ａは、図６（ａ）と同様に、線材２を一方向（図では下方向）に湾曲変形させ、線材２を螺旋状に時計回りに繰り出すように成形する。一方、押込みローラ１２ｂ、支点ローラ１３ｂ及び押えローラ１４ｂは、線材２を反対方向（図では上方向）に湾曲変形させ、線材２を螺旋状に反時計回りに繰り出すように成形する。

このように線材２の螺旋状に変形する周回方向を変更することができるので、後述するように、複数のコイルを１本の連続する線材２で成形する場合に、コイルの両端部のいずれからでも成形することが可能となり、コイルの配置に合わせて線材２により渡り線を適宜設定することができる。

図７は、巻線構造に関する形状を示す説明図である。上述した例では、矩形状の巻線構造について説明したが、図７（ａ）に示すように円筒状に形成することもでき、楕円形の筒状に形成することも可能である。図７（ａ）に示す例では、線材が全周にわたって曲線状に変形されており、全体が曲線部分となっている。そして、曲線部分の曲率を外側に隣り合う曲線部分よりも大きく内側に隣り合う曲線部分よりも小さく設定して曲線部分が密着して重なり合うように形成されている。

また、図７（ｂ）に示すように、三角形の筒状に形成することもでき、様々な多角形の筒状に形成することも可能である。また、図７（ｃ）に示すように、取付位置に対応して曲線部分及び直線部分を組み合せた形状に形成することも容易に行える。図７（ｂ）及び（ｃ）に示す例では、曲線部分が部分的に配置されている。この例においても、曲線部分の曲率を外側に隣り合う曲線部分よりも大きく内側に隣り合う曲線部分よりも小さく設定して曲線部分が密着して重なり合うように形成されている。

図７に示す例以外に線材２を湾曲変形して様々な形状の曲線部分を形成することができ、曲線部分の曲率を外側又は内側に隣り合う曲線部分と密着して重なり合うように設定すれば、取付場所に応じて適宜成形した占積率の高い巻線構造を得ることができる。

図８は、回転機器に巻線構造を用いた概略構成図である。この例では、回転機器の固定子に本発明に係る巻線構造からなるコイル２００を複数個取り付けている。固定子のヨーク２０１の内周側に設けられた複数個のティース２０２にそれぞれコイル２００が挿着されて周方向に配置されている。図８では、コイル２００は断面図で示されており、コイル２００を構成する線材は平角状の断面で描かれている。コイル２００は、三相用コイルを構成しており、同相のコイル２００が２つおきに配置されて互いに接続されている。

コイル２００を構成する巻層部は、固定子の径方向に複数個配列されており、ティース２０２の間のスロットの形状に対応して内径側から外径側に向かって巻層部の周回数が増加するように設定されている。本発明に係る巻線構造では、巻層部毎に周回数を変更することができるので、スロットの形状に合わせて巻層部の周回数を設定すれば、スロットにできるだけ隙間のない状態で線材を配置して占積率を向上させることが可能となる。この例では、隣接するコイル２００の対向する巻層部の周回数を異ならせることでスロットにできるだけ隙間のない状態に設定している。なお、コイル２００を構成する巻層部の数についても固定子の設計に応じて適宜設定することができ、一部のコイル２００の巻層部の数を異ならせることも可能である。

この例では、コイル２００は、図１に示す巻線構造が用いられており、巻線構造の長辺部分がスロット内に配置され、巻線構造の短辺部分がティースの上下に突出するように配置される。巻線構造の短辺部分の両側の曲線部分は曲率が小さく設定されているため、隣接するコイル２００との間では、対向配置された曲線部分の間にスペースが生じるようになり、渡り線や引き出し線の配置スペースとして使用することができる。そのため、従来のコイルのように短辺部分の上面に渡り線等を配置する場合に比べて固定子全体のコンパクト化を図ることが可能となる。

図９は、図８に示す固定子の同相のコイルの接続に関する説明図である。図９では、理解を容易にするために、１つの相に関するコイルの接続のみ表示しており、他の相のコイルについては同様の接続となるため省略している。１つの相に関するコイルは、隣り合うコイルとの間で一方は内径側で渡り線２０３により接続され、他方は外径側で渡り線２０４により接続されており、コイル同士が同じ側の端部において渡り線により接続されている。そして、外径側において引き出し線２０５が接続されているため、渡り線及び引き出し線を短くすることができる。この場合、渡り線及び引き出し線は、コイルとともに１本の連続した線材により成形されている。すなわち、図６（ｂ）において説明したように、１本の連続した線材を螺旋状に変形する場合に周回方向を時計回り又は反時計回りのいずれにも変形可能であるため、固定子の内径側から外径側に向かうようにコイルを時計回り又は反時計回りに成形した後、外径側で接続する渡り線を形成し、引き続き隣のコイルを外径側から内径側に向かうように時計回り又は反時計回りのいずれにも成形することができる。そして、成形された２つのコイルを固定子の周方向に並行配置すれば、互いに同一又は反対のいずれの周回方向にでも設定することができる。こうして線材を時計回り又は反時計回りで適宜螺旋状に成形して間に渡り線を形成することで、１本の連続した線材でコイルとともに渡り線及び引き出し線を形成することができる。そのため、渡り線及び引き出し線を別途接続する場合に比べて配線抵抗の増加を抑えることが可能となる。

また、上述したように、巻線構造の巻層部の連結部分を一方の短辺部分の内周側及び外周側に密着させて配置しているので、スロット内にコイルの長辺部分を挿着するように取り付ければ、スロット内の線材の密度を向上させることができ、ティースの上下に突出する短辺部分の厚みを薄くしてコンパクト化を図ることが可能となる。

図１０は、図８に示す固定子の同相のコイルの接続に関する説明図である。この例では、同相のコイル同士をコイルの内径側及び外径側を渡り線２０６〜２０８で接続するようにしており、コイル同士を異なる側の端部において渡り線により接続している。また、各相のコイルは、互いに渡り線２０６〜２０８で接続されているとともに、それぞれ外径側において引き出し線２０９〜２１１が接続されている。各相のコイルをそれぞれ接続する渡り線２０６〜２０８は、互いに交差することなく配列されているので、渡り線が交差する場合に比べて渡り線の厚み方向のスペースを薄くすることができる。

１つの相のコイル同士が渡り線２０６で接続されており、コイルと渡り線２０６は１本の連続した線材により形成されている。すなわち、図６に示す成形装置において、１本の連続した線材を螺旋状に変形する場合に、固定子の外径側から内径側に向かうようにコイルを時計回り又は反時計回りに成形した後、渡り線を形成し、引き続き隣のコイルを外径側から内径側に向かうように時計回り又は反時計回りに成形すれば、渡り線をコイルの内径側から隣のコイルの外径側に接続するように形成することができる。こうして必要数のコイル及び渡り線を形成した後固定子に装着することで１つの相についてコイルを取り付けることができる。同様に、別の相についてコイル及び渡り線２０７並びにコイル及び渡り線２０８を成形して固定子に挿着すればよい。その際に、各相の渡り線が交差することがないので、簡単に取り付けることができる。また、１本の連続した線材でコイルとともに渡り線を形成することができるので、渡り線を別途接続する場合に比べて配線抵抗の増加を抑えることが可能となる。そして、渡り線をコイルと交差するようにコイル表面に沿って配線することで渡り線の長さを短くすることができる。

図１１は、回転機器に別の巻線構造を用いた概略構成図である。この例では、図８に示す例と同様に、回転機器の固定子にコイル２００’を複数個取り付けている。コイル２００’は、巻層部が隣接するコイル２００’の巻層部と互いに入れ子状となるように周回数が設定されている。本発明に係る巻線構造では、巻層部毎に周回数を変更することができるので、コイルの中間部の巻層部２００ａ’の周回数を減少させるとともに隣接するコイルの対応する巻層部２００ｂ’の周回数を増加させることでスロットに隙間なく線材を配置することができる。また、この例では、一部のコイル２００’についてティースの内径側の空きスペースを活用して巻層部２００ｃ’を追加しており、線材の占積率をさらに向上させることが可能となる。このようにコイルの配置スペースに応じて巻層部の周回数及び巻層部の数を変更して線材を隙間なく配置することができ、様々な回転機器に対応することが可能となる。

以上説明した例では、巻線構造を固定子の内側にコイルとして挿着しコイルの内側に回転子を取り付けて回転機器が構成されるが、巻線構造を固定子の外側にコイルとして挿着しコイルの外側に回転子を取り付けるように回転機器を構成することもできる。また、巻線構造を回転子に挿着して回転機器を構成することもできる。

また、上述した固定子を有する回転機器以外にも、本発明の巻線構造を用いることは可能で、特に限定されることはない。例えば、複数のコイルを直線状に配列したリニアモータ等の駆動装置にも適用することができる。変圧器においても一次側コイル及び二次側コイルに適用することが可能で、その場合に一次側コイル及び二次側コイルの巻層部を異なる数に設定したり、巻層部の周回数を異なる数に設定することができる。さらに、二次側コイルとして複数の巻線構造を取り付けることも容易に対応することが可能で、変圧器の様々な設計に対応することができる。

１・・・巻線構造、２・・・線材、３・・・巻層部、１０・・・駆動ローラ、１１・・・従動ローラ、１２・・・押込みローラ、１３・・・支点ローラ、１４・・・押えローラ、１００・・・巻線構造、２００・・・コイル、２０１・・・ヨーク、２０２・・・ティース、２０３・・・渡り線、２０４・・・渡り線、２０５・・・引き出し線、２０６・・・渡り線、２０７・・・渡り線、２０８・・・渡り線、２０９・・・引き出し線、２１０・・・引き出し線、２１１・・・引き出し線

Claims (7)

1. 曲線部分及び直線部分が交互に形成されて螺旋状に周回するように変形された１本の連続する平角状断面の線材を渦巻状に重ね合せて形成された複数の巻層部を厚さ方向に密着して配列してなり、前記巻層部は、曲線部分において、外周側に隣接する周回部分の曲線部分の曲率に対応する曲率半径を、内周側に隣接する周回部分の曲線部分の曲率に対応する曲率半径に前記線材の断面の変形方向の長さを加算した値に設定することで前記線材が内周側から外周側に向かって順次曲率を小さくなるように形成されて前記線材が全周にわたって密着するように重ね合わされており、少なくとも１つの前記巻層部は、他の前記巻層部と前記線材の周回数が異なっており、両端部以外の前記巻層部は、一方の側に隣接する前記巻層部と外周側において対向配置されていない前記線材が連続して連結しているとともに他方の側に隣接する前記巻層部と当該外周側と同じ辺部分の内周側において対向配置されていない前記線材が連続して連結しており、隣接する前記巻層部は、中間部分において互いに対向配置された前記線材が突き当るように当接して密着した状態に設定されている巻線構造。
2. 請求項１に記載の巻線構造を備えている電気機器。
3. 少なくとも１つの前記巻層部の周回数が異なる複数種類の前記巻線構造を備えている請求項２に記載の電気機器。
4. 少なくとも１つの前記巻線構造の前記巻層部の数が異なっている請求項３に記載の電気機器。
5. 連続する１本の前記線材により複数の前記巻線構造が形成されている請求項３又は４に記載の電気機器。
6. 前記線材により複数の前記巻線構造を接続する渡り線が形成されており、前記渡り線は、周方向に配置された複数の前記巻線構造の内径側又は外径側において接続している請求項５に記載の電気機器。
7. 前記線材により複数の前記巻線構造を接続する渡り線が形成されており、前記渡り線は、周方向に配置された複数の前記巻線構造の内径側及び外径側を接続するとともに前記巻線構造と交差するように前記巻線構造に沿って配線されている請求項５に記載の電気機器。