(57)【要約】【課題】残留応力あるいは残留歪みに起因して生じる電気抵抗の増加を低減させ、また、上記スプリングバックによる形状の変化を緩和できるコイルの製造方法を提供する。【解決手段】コイル１の製造方法であって、銅を主成分とするとともに絶縁被覆を備える巻線２を巻き回すことによりコイルを成形する成形行程と、コイルに通電して加熱する熱処理行程とを含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルの製造方法であって、
銅を主成分とするとともに絶縁被覆を備える線材を巻き回すことによりコイルを成形する成形行程と、
コイルに通電して加熱する熱処理行程とを含む、コイルの製造方法。
【請求項２】
上記熱処理行程は、上記成形したコイルを所定形状に整形加圧した状態で通電することにより行われる、請求項１に記載のコイルの製造方法。
【請求項３】
上記熱処理工程は、上記コイルに上記絶縁被覆の耐熱温度以下の温度を作用させて行われる、請求項１又は請求項２のいずれかに記載のコイルの製造方法。
【請求項４】
上記コイルの外面を冷却しながら上記熱処理工程を行う、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコイルの製造方法。
【請求項５】
上記熱処理工程は、上記コイルの外周面に冷却水、冷却油又は冷却気体のいずれかを作用させながら行われる、請求項４に記載のコイルの製造方法。
【請求項６】
上記熱処理工程は、不活性ガス雰囲気中で行われる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のコイルの製造方法。
【請求項７】
上記熱処理工程は、上記コイルに上記絶縁被覆の耐熱温度以上の温度を作用させて行うとともに、
上記絶縁被覆を、上記耐熱温度以下に冷却しながら行われる、請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のコイルの製造方法。
【請求項８】
上記コイルを、採用した材料の再結晶温度以上に加熱する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のコイルの製造方法。
【請求項９】
コイルの巻線にタフピッチ銅を絶縁被覆したアミドイミドワイヤを採用するとともに、
上記熱処理工程は、コイルを１５０℃〜２５０℃に加熱して、１０秒以上保持することにより行われる、請求項１から請求項８のいずれかに記載のコイルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、コイルの製造方法に関する。詳しくは、巻線を巻き回してコイルを形成する過程で生じた残留歪や残留応力を除去してコイルの電気抵抗を低減させ、また、スプリングバックを除去できるコイルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、モータや発電機のステータは、コアの周囲にコイルを巻き回して構成される。モータ等の効率を高めるために、上記コイルにおける占積率を高める必要がある。このため、長方形断面を有する平角線材をエッジワイズ巻きしてコイルを形成することが多い。
【０００３】
エッジワイズコイルは、上記平角線材を幅方向（大きな断面寸法方向）に屈曲させながら、厚み方向（小さな断面寸法方向）に巻き回して構成される。この構成を採用することにより、巻線間の隙間を小さく設定することが可能となる。このため、高い占積率を得ることができる。
【特許文献１】特開２００５−３０４２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載されているようなエッジワイズコイルを製造する過程においては、平角コイルの外周部には大きな引っ張り応力が作用する一方、内周部には、大きな圧縮応力が作用する。これら加工力に起因して、成形工程後のコイルに歪や内部応力が生じる。これら歪や内部応力は、コイルの電気抵抗を増加させ、また発熱量を増加させて、コイルの効率を低下させる。
【０００５】
また、上記残留歪や残留応力に起因してスプリングバックが起こり、高い寸法精度でコイルを形成できない場合がある。このため、後の組立工程等においてコイルを所定形状に保持する部材等が必要になったり、矯正するための応力が作用した状態で組み付けられることも多い。この結果、残留応力や残留歪もその分大きくなり、コイルの電気抵抗を増加させることになる。
【０００６】
本願発明は、上記問題を解決し、残留応力あるいは残留歪みに起因して生じる電気抵抗の増加を低減させ、また、上記スプリングバックによる形状の変化を緩和できるコイルの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載した発明は、コイルの製造方法であって、銅を主成分とするとともに絶縁被覆を備える線材を巻き回すことによりコイルを成形する成形行程と、コイルに通電して加熱する熱処理行程とを含むものである。
【０００８】
冷間加工した金属を加熱すると、加工によって変化した性質が加工前に近い状態にもどる。この操作は焼きなましといわれる。上記焼きなまし処理を行うことにより、上記残留歪や残留応力を緩和することができる。上記焼きなましによって性質が元に戻る過程は、大きく２つに分けられる。第１は、加工によって内部歪を生じた結晶粒が、そのままの形で内部歪を開放していく回復過程である。第２は、内部歪のある結晶粒が、内部歪のない新しい結晶によって置き換えられていく再結晶過程である。再結晶過程においては、新しい結晶粒の核の発生と成長を含み、新しい結晶粒は古い結晶粒とは形も結晶の向きも異なる。
【０００９】
コイルに採用される銅等の融点の低い材料においては、室温に放置するだけでも回復が進行し、さらに加熱することにより、上記回復が加速される。したがって、材料の組織が変化する温度以下に加熱することによっても、上記残留歪や残留応力を有効に緩和することができる。特に、電気抵抗は、室温以上に加熱して回復過程を加速させることにより、効果的に低減させることができる。
【００１０】
上記コイルの形態及び成形工程を行う手法は特に限定されることはない。たとえば、既知のエッジワイズコイル用巻線装置を用いて、円筒状あるいは矩形筒状のコイルを形成することができる。
【００１１】
コイルを形成できるものであれば、上記線材の種類は限定されることはない。たとえば、広く導電用材料として用いられるタフピッチ銅や無酸素銅を採用することができる。
【００１２】
上記絶縁被覆の種類も限定されることはないが、熱処理温度に耐える耐熱性を備えるものを採用するのが好ましい。たとえば、アミドイミドワイヤ（ＡＩＷ線）やポリイミドワイヤ（ＩＭＷ）を採用することができる。これらの絶縁被覆層は、軟化点が４００℃以上であり、耐熱衝撃性（絶縁被覆に歪を与えておいて加熱した場合に亀裂が生じるか否かの基準）も２００℃以上である。したがって、これら材料から形成された絶縁被覆を採用することにより、絶縁被覆を劣化させることなく、コイルの熱処理を行うことができる。
【００１３】
上記熱処理工程は、上記成形工程において生じた残留歪や残留応力を除去するために行われる。たとえば、銅線の場合、歪を効果的に除去するには、コイルを２００℃以上に加熱するのが望ましい。一方、加熱温度が絶縁被覆の耐熱温度以上であると、絶縁被覆を傷める。したがって、請求項３に記載した発明のように、上記熱処理工程を、上記コイルに上記絶縁被覆の耐熱温度以下の温度を作用させて行うのが望ましい。
【００１４】
たとえば、タフピッチ銅のアミドイミドワイヤ（ＡＩＷ線）を採用した場合、絶縁被覆の耐熱温度は２５０℃〜３００℃でる。したがって、３００℃以下の温度を作用させるのが望ましい。また、上記タフピッチ銅の再結晶温度が２００℃〜２５０℃程度であることから、上記コイルを２００℃以上に加熱するのが効果的である。
【００１５】
また、加熱保持する時間も、上記絶縁被覆を傷めない範囲で決定できる。上記タフピッチ銅のアミドイミドワイヤの場合、２５０℃に加熱して１０秒間以上保持することにより、電気抵抗の低減効果を得ることができる。
【００１６】
上記熱処理工程は、上記コイルに通電することにより行われる。通電加熱を採用することにより、コイルを構成する線材の内部から加熱することができる。したがって、絶縁被覆を傷めることが少なく、効果的に熱処理を行うことができる。コイルを所要の温度に加熱することができれば、通電形態も特に限定されることはなく、直流大電流あるいは高周波電流をコイルに作用させることができる。
【００１７】
上記構成を採用することにより、巻き線加工の過程において生じた残留歪及び残留応力を緩和することができる。このため、上記残留歪及び残留応力に起因して増加した電気抵抗を低減させることができる。
【００１８】
請求項２に記載した発明は、上記熱処理行程を、上記成形したコイルを所定形状に整形加圧した状態でコイルに通電することにより行われるものである。
【００１９】
整形した状態で加熱することにより、残留歪及び残留応力が低減されるとともにスプリングバックを緩和することができる。
【００２０】
上記整形は、コイルのスプリングバックを矯正できる金型装置を用いて行うことができる。上記金型装置の構成は、特に限定されることはなく、筒状コイルの直径等を揃え、あるいは、各巻線間の軸方向隙間を減少させるようにコイルを保持できるものであればよい。スプリングバックを緩和することにより、寸法精度を高めることができる。
【００２１】
さらに、再結晶温度以上に加熱すると、金属組織自体が変化するため、上記残留歪や残留応力を大きく緩和することができる。したがって、請求項８に記載した発明のように、線材を再結晶温度以上に加熱することにより、コイルの電気抵抗を低減させるだけでなく、スプリングバックをより効果的に緩和することができる。
【００２２】
実際の再結晶温度は加工の程度によって異なるが、たとえば、銅の再結晶温度は、一般に２００℃から２５０℃であり、この温度まで加熱することにより、コイルの残留歪及び残留応力を緩和して電気抵抗を低減させるとともに、スプリングバックを効果的に緩和することが可能となる。
【００２３】
一方、上記アミドイミドワイヤの耐熱性は、２００℃から２５０℃であり、上記絶縁被覆に悪影響を与えることなく、上記熱処理工程を行うことができる。
【００２４】
請求項４に記載した発明は、上記コイルの外面を冷却しながら上記熱処理工程を行うものである。コイルの外面には、筒状コイルの外周面のみならず、内周面及び各巻線の表面も含まれる。
【００２５】
本願発明では、コイルに通電することによってコイルは巻線内部から加熱される。したがって、コイルの外面を冷却することによって、巻線の絶縁被覆を保護しつつコイルを加熱することができる。また、請求項７に記載した発明のように、上記熱処理工程を、上記コイルに上記絶縁被覆の耐熱温度以上の温度を作用させて行うとともに、上記絶縁被覆を、上記耐熱温度以下に冷却しながら行うことができる。これにより、絶縁被覆にダメージを与えることなく、有効な熱処理を施すことが可能となる。
【００２６】
また、再結晶温度が絶縁被覆の耐熱温度より高い巻線を採用した場合であっても、冷却しながら上記熱処理工程を行うことにより、コイルを上記再結晶温度以上に加熱することが可能となる。このため、残留歪及び残留応力を緩和して電気抵抗を低減できるばかりでなく、スプリングバックを効果的に緩和することも可能となる。
【００２７】
上記冷却を行う手法は特に限定されることはない。請求項５に記載した発明のように、上記熱処理工程を、上記コイルの外周面に冷却水、冷却油又は冷却気体のいずれかを作用させながら行うことができる。
【００２８】
請求項６に記載した発明は、上記熱処理工程を、不活性ガス雰囲気中で行うものである。不活性ガス雰囲気中で行うことにより、上記絶縁皮膜の劣化を防止することができる。たとえば、窒素雰囲気中で、上記熱処理工程を行うことができる。さらに、上記雰囲気窒素を低温に保持しつつ、上記コイルの周囲に流動させることにより、上記コイルの外面を冷却しつつ熱処理工程を行うことができる。また、不活性ガス雰囲気中で、上記コイルに冷却水や冷却油を作用させて上記熱処理工程を行うこともできる。
【００２９】
また、冷却を行いながら熱処理を行う場合には、加熱保持時間を増加させることもできる。したがって、コイル巻線の金属組織を所望の形態に調整することも可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
コイルに通電加熱する熱処理工程によって、絶縁被覆を傷めることなくコイルに生じた残留歪及び残留応力を緩和して電気抵抗を低減させ、さらに、スプリングパックを緩和することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。なお、本実施形態は、電動機のステータに装着される矩形筒状のコイルに本願発明を適用したものである。
【００３２】
図１は本願発明によって処理を行うコイル１の全体斜視図である。この図に示すように、本実施形態に係るコイル１は、断面矩形状の平角線２を幅方向（大きな断面寸法方向）に屈曲させながら、厚み方向（小さな断面寸法方向）に巻き回して、すなわちエッジワイズ巻きして形成されている。
【００３３】
本実施形態に係る上記巻線２は、０．９２ｍｍ×９．６０ｍｍの断面矩形状のタフピッチ銅線の外周をアミドイミド樹脂で被覆したもの（アミドイミドワイヤ）を採用している。
【００３４】
上記コイル１は、直線状の巻線２を内側空間に対応した型部材の外周に巻き回して形成される。このため、コイル１の矩形角部３において内周部が大きく圧縮変形させられるとともに、外周部が引っ張り変形させられる。
【００３５】
上記加工力に起因して、成形後のコイル１にスプリングバックが生じる。スプリングバックは、塑性加工後に、弾性によって曲げ変形が加工した側と逆方向に戻る現象である。
【００３６】
図２及び図３に、スプリングバックが生じたコイル１の形態を示す。なお、これらの図は、理解を容易にするため、スプリングバック量を実際より大きく描いてある。
【００３７】
本実施形態に係る矩形筒状のコイル１の場合には、図２に示す各ターンの巻線２がコイル軸からずれた形態のスプリングバックと、図３に示す各ターンの巻き線が軸回りに回転した状態のスプリングバックが生じることが多い。また、コイルの軸方向に隣接する各ターンの巻線を密着した状態で巻き回すのは困難であり、各ターンの巻線間に隙間が形成される。このため、図２に示すように、コイルの軸方向高さが設定値より大きくなることもある。
【００３８】
また、上記巻線２の内部には、加工に起因する残留歪及び残留応力が生じており、これら残留歪及び残留応力によって巻線の電気抵抗が増加している。この結果、そのままコア等に装着してステータを構成すると、発熱量が増加するとともにステータの効率が低下する恐れがある。
【００３９】
しかも、上記スプリングバックが生じたコイル１をコアに装着する際、コイルを整形して装着しなければならない場合も多い。一方、整形力を作用した状態でコアに装着すると、コイル１にさらに応力を生じさせることになり、電気抵抗がさらに増加する恐れもある。
【００４０】
本実施形態では、図４に示すように、コイルを所定形状に整形した状態で、コイルに通電して加熱する。
【００４１】
図４及び図５に示すように、コイル１の側方び軸方向から整形部材８，９を当接させてコイル１を所定の整形状態で保持する。そして、コイル１に通電して加熱する。
【００４２】
本実施形態では、コイル１の四方の側面にコイル１の軸心に向けて整形部材８を当接させることにより、巻線２のコイル軸に対するずれに係るスプリングバックと、軸回りの回転変位に係るスプリングバックとを矯正している。また、コイル１の両端面の各４箇所に、棒状の整形部材９を作用させることにより、軸方向のスプリングバックを矯正している。
【００４３】
上記状態で、上記コイル１の両端子部４，５にリード線を接続して通電装置１１から電流を流して通電する。上記電流の大きさ及び形態は特に限定されることはなく、巻線２の内部を所要の温度に加熱できるように通電すればよい。
【００４４】
本実施形態では、５００Ｖの１ｋＨｚ交流電流を約３０秒間通電する。これにより、コイルが約２２０℃に加熱された状態で保持される。上記温度で保持することにより、上記巻線の銅を再結晶させることが可能となり、残留歪及び残留応力を低減あるいは除去することが可能となる。また、上記整形した形態で再結晶が進行するため、上記スプリングバックを低減させることもできる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、図６に示すように、コイル１の外周面を冷却しながら上記コイル１の熱処理工程を行うことができる。
【００４６】
図６に示す実施形態では、上記熱処理工程を窒素雰囲気中で行うとともに、冷却した気体窒素Ｎ２ を、上記コイルの内側部及び外側部において軸方向に流動させることにより、上記コイル１の外面を冷却している。上記気体窒素Ｎ２ の温度及び流速は、上記コイル１の絶縁被覆を２００℃以下に保持できるように設定される。
【００４７】
上記冷却を行いながら、コイル１に熱処理を行うことにより、上記絶縁被覆が耐熱温度以上に加熱されることはなくなる。したがって、絶縁被覆が劣化するのを防止することができる。
【００４８】
さらに、コイル１の加熱温度を高めて、残留歪及び残留応力を効果的に除去してコイルの電気抵抗を低減させることができるとともに、上記スプリングバックを確実に緩和することも可能となる。
【００４９】
本願発明は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上記説明した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本願発明係るコイルの製造方法を採用することにより、コイルの電気抵抗を低減させてステータ等の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本願発明に係るコイルの外観斜視図である。
【図２】図１に示すコイルのスプリングバックの状態を示す正面図である。
【図３】図１に示すコイルのスプリングバックの状態を示す平面図である。
【図４】図１に示すコイルを整形して熱処理する状態を示す外観斜視図である。
【図５】図４に示す熱処理工程を行うコイルの平面図である。
【図６】図５におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  コイル
２  巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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