CN109309410B - 线圈单元及使用其的供电装置、受电装置及无线电力传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种将在线圈单元中产生的热有效地散热的线圈单元。线圈单元(10)具备：线圈(11)，导线被螺旋状地卷绕；电容器(12)，其与线圈(11)的线圈轴向的一端侧的线圈(11)电连接；磁性体(13)，其配置于与线圈(11)的相对面的相反侧即线圈(11)的背面侧；第一金属屏蔽(14)，其配置于磁性体(13)的背面侧；和第二金属屏蔽(16)，其配置于磁性体(13)和第一金属屏蔽之间，并且形成电容器(12)的收纳空间。第二金属屏蔽(16)包含：平板部(16a)，其与磁性体(13)的与线圈(11)的相对面的相反侧的面相对；侧壁(16b)，其配置于电容器(12)的周围；和凸缘部(16c)，朝向所述第一金属屏蔽的所述侧壁的前端部折弯而成，凸缘部(16c)配置成与第一金属屏蔽(14)热连接。

Description

线圈单元及使用其的供电装置、受电装置及无线电力传输 系统
技术领域
本发明涉及一种优选用于无线电力传输系统的线圈单元的构造。另外，本发明涉及一种使用了这样的线圈单元的供电装置、受电装置及无线电力传输系统。
背景技术
不使用电缆或电源线传输电力的无线电力传输技术备受关注。由于无线电力传输技术能够从供电侧向受电侧无线地供给电力，因此，期望应用到电车、电动汽车、无人搬运车等运输设备、家电制品、电子设备、无线通信设备、玩具、工业设备等各种制品。
在无线电力传输技术中，已知有为了延长传输距离，利用由将电容器与线圈连接而形成的谐振电路引起的共振现象的电力传输方式。
在该电力传输方式中，通过将线圈和电容器一体化，实现线圈单元的小型化。例如，在专利文献1中公开有电容器配置于屏蔽部件的突出支承部内的线圈单元。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-103612号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在专利文献1中，没有提及任何关于由电流在线圈流通而产生的热的排热，从而存在导致线圈、电容器等线圈单元的构成部件的损坏的担忧。
本发明是鉴于上述技术问题而成的，其目的在于提供一种可以有效地散热的线圈单元及使用其的供电装置、受电装置及无线电力传输系统。
用于解决技术问题的技术方案
为了解决上述技术问题，本发明的线圈单元其特征在于，具备：线圈，导线被螺旋状地卷绕；电容器，其与所述线圈电连接；磁性体，其配置于所述线圈的线圈轴向的一端侧；第一金属屏蔽，其配置于所述磁性体的与所述线圈的相对面的相反侧；和第二金属屏蔽，其配置于所述磁性体和所述第一金属屏蔽之间，并且形成所述电容器的收纳空间，所述第二金属屏蔽包含：平板部，其与所述磁性体的与所述线圈的相对面的相反侧的面相对；侧壁，其配置于所述电容器的周围；和凸缘部，朝向所述第一金属屏蔽的所述侧壁的前端部折弯而成，所述凸缘部配置成与所述第一金属屏蔽热连接。
根据本发明，能够抑制线圈或电容器的过热，并且使在线圈单元中产生的热有效地散热。另外，能够降低第一金属屏蔽和第二金属屏蔽之间的热阻并使散热性提高。
在本发明中，优选所述凸缘部为所述侧壁的前端部向内侧折弯而成。由此，第二金属屏蔽可以进行小型化，能够缩小相对于第一金属屏蔽的设置面积。
在本发明中，优选所述第二金属屏蔽配置成与所述磁性体热连接。由此，能够将在线圈单元中产生的热更有效地散热。
在本发明中，优选的是，从所述线圈轴向观察，所述第二金属屏蔽具有在一个方向上细长的平面形状，并且所述凸缘部沿着所述第二金属屏蔽的长边方向设置。由此，能够将在线圈单元中产生的热更有效地散热。
在本发明中，优选的是，在所述侧壁的一部分设有开口部，与所述线圈或所述电容器连接的电力电缆从所述开口部引出到外侧。根据该结构，能够将线圈单元的端子容易地引出。
在本发明中，优选的是，从所述线圈轴向观察，所述第二金属屏蔽具有在一个方向上细长的平面形状，所述线圈的线圈轴朝向大致水平方向，所述开口部设置于所述第二金属屏蔽的长边方向的一端侧。根据该结构，在线圈面垂直地设置并在大致水平方向上进行电力传输的方式中能够将线圈单元制成低高度。另外，由于线圈面垂直，因此，金属的异物不会附着于线圈面，能够避免由金属异物导致的电力传输效率的降低及金属异物的发热。此外，线圈的线圈轴只要为大致水平即可，不要求严格地水平。因此，线圈轴的方向只要相对于水平轴在±10度以内即可。
在本发明中，优选从所述线圈轴向观察的所述第一金属屏蔽的外形尺寸比所述第二金属屏蔽的外形尺寸大。根据该结构，能够提高线圈单元整体的散热性。
在本发明中，优选在所述第一金属屏蔽的与所述第二金属屏蔽的相对面的相反侧设有散热器。这样，通过在大致水平方向进行电力传输，且在第一金属屏蔽的背面具备散热器的构造，能够实现线圈单元的低高度化和电力传输效率的提高，并且能够使在线圈单元中产生的热更有效地散热。
另外，本发明的供电装置其特征在于，具备具有上述本发明的特征的线圈单元和与所述线圈单元连接的逆变器电路。根据本发明，能够提供一种可以抑制发热，并且降低大幅围绕远离相对的线圈的区域的漏磁通的供电装置。
另外，本发明的受电装置其特征在于，具备具有上述本发明的特征的线圈单元和与所述线圈单元连接的整流电路。根据本发明，能够提供一种可以抑制发热，并且降低大幅围绕远离相对的线圈的区域的漏磁通的受电装置。
进一步，本发明的无线电力传输系统其特征在于，具备无线地提供电力的供电装置和无线地接收从所述供电装置供电的电力的受电装置，所述供电装置及所述受电装置的至少一方包含具有上述本发明的特征的线圈单元。根据本发明，能够提供一种可以抑制发热，并且降低大幅围绕远离相对的线圈的区域的漏磁通的无线电力传输系统。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种可以有效地散热的线圈单元及使用其的供电装置、受电装置及无线电力传输系统。
附图说明
图1是表示本发明的优选的实施方式的无线电力传输系统的结构的框图。
图2是表示本发明的第一实施方式的线圈单元的结构的大致剖视图。
图3是线圈单元的立体图，并且表示拆下了树脂盖的状态。
图4是线圈单元的立体图，并且表示安装了树脂盖的状态。
图5是表示本发明的第二实施方式的线圈单元的结构的大致剖视图。
符号的说明
1 无线电力传输系统
2 供电装置
3 受电装置
4 直流电源
5 供电电路
6a 供电线圈
6b、6c 电容器
7a 受电线圈
7b、7c 电容器
8 受电电路
9 负载
10 线圈单元
11 线圈
12 电容器
13 磁性体
13e 磁性体的端部
14 底部屏蔽
14a 底部屏蔽的主面
15 侧屏蔽
16 屏蔽盒
16a 平板部
16b 侧壁
16c 凸缘部
16d 电容器收纳口
16e 开口部
17 线圈架
18 树脂盖
19 电力电缆
20 散热器
20a 翅片
20b 平板部
21 平板部
Lx 第二距离
Ly 第一距离
SS 基准平面
X0 线圈轴
Figure BDA0001745656440000051
磁通
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的优选的实施方式进行详细地说明。
图1是表示本发明的优选的实施方式的无线电力传输系统的结构的框图。
如图1所示，该无线电力传输系统1为由供电装置2和受电装置3的组合构成，并且从供电装置2向受电装置3无线传输电力的系统。
供电装置2具备：直流电源4；供电电路5，其包含将从直流电源4供给的直流电压变换为例如100kHz的交流电压的逆变器电路；和线圈单元10，其包含通过交流电压产生交流磁通的供电线圈6a。本实施方式的线圈单元10构成电容器6b、6c分别与供电线圈6a的两端串联连接而成的LC串联谐振电路，但也可以为LC并联谐振电路，也可以为LC串并联谐振电路。另外，电容器的数量也没有特别限定，也可以为仅连接有电容器6b的结构。
受电装置3具备：线圈单元10，其包含接受供电线圈6a产生的交流磁通的至少一部分并产生交流电压的受电线圈7a；和受电电路8，其包含将在受电线圈7a中产生的交流电压变换为直流电压的整流电路。此外，整流电路也可以包含平滑功能。从受电装置3输出的直流电压被供给到负载9。本实施方式的线圈单元10构成电容器7b、7c分别与受电线圈7a的两端串联连接而成的LC串联谐振电路，但也可以为LC并联谐振电路，也可以为LC串并联谐振电路。另外，电容器的数量也没有特别限定，也可以为仅连接有电容器7b的结构。
图2是表示用于供电侧及受电侧的线圈单元10的结构的大致剖视图。另外，图3及图4为线圈单元10的立体图，特别是，图3表示拆下了树脂盖18的状态，图4表示安装有树脂盖18的状态。此外，图2与沿着图4的A-A线的大致剖视图对应。
如图2～图4所示，该线圈单元10具备：线圈11，导线被螺旋状地卷绕；电容器12，其与线圈11电连接构成LC谐振电路；磁性体13，其配置于线圈11的背面侧；底部屏蔽14(第一金属屏蔽)，其配置于磁性体13的背面侧；和屏蔽盒16，其配置于磁性体13和底部屏蔽14之间并且收纳电容器12。此外，线圈11的背面侧为线圈11的线圈轴X0的延伸方向的一端侧，是指与朝向电力传输方向的线圈11的主面的相反侧。另外，磁性体13的背面侧是指磁性体12的与线圈11的相对面的相反侧。
线圈11与图1的线圈6a或7a对应。线圈11卷绕于树脂制的线圈架17而成，被收容于树脂盖18内。本实施方式的线圈11为单层构造，也可以为多层构造。线圈11的平面形状优选为在一个方向上细长的椭圆、长圆、或大致矩形，但也可以为正圆或大致正方形。
电容器12与图1的电容器6b、6c或7b、7c对应。电容器12与线圈11一起被封装构成电力传输用线圈单元。在本实施方式中，电容器12被安装于屏蔽盒16，但也可以被安装于底部屏蔽14。由于电容器12经由磁性体13及屏蔽盒16配置于线圈11的背面侧，因此，电容器12的金属部分(端子电极、内部电极等)不会阻碍电力传输。电力电缆19与由线圈11及电容器12构成的LC谐振电路的一对端子连接。
磁性体13为由铁氧体等磁性材料构成的片状或板状的部件，设置成覆盖线圈11的背面整体。磁性体13也可以为多个磁性片的集合体。在本实施方式中，磁性体13粘附于线圈架17的背面。这样，通过在线圈11的背面侧设置磁性体13，能够确保与线圈11交链的磁通
Figure BDA0001745656440000071
的磁路并提高电力传输效率。
底部屏蔽14为具有比线圈11或磁性体13大的外形尺寸的铜或铝等金属制的支承体，为了遮蔽线圈11的背面侧的漏磁通而设置。在与屏蔽盒16的相对面的相反侧即底部屏蔽14的背面侧设有散热器20。散热器20由延伸的多个翅片20a和设有多个翅片20a的平板部20b构成，并且平板部20b与底部屏蔽14的背面连接。在处理大电力的线圈单元中，线圈11及磁性体13的发热量也非常大，但通过将与线圈11的电力传输方向相反侧的底部屏蔽14的背面设为散热器构造，能够提高线圈单元10的散热性。在本实施方式中，散热器20由与底部屏蔽14不同的部件构成，但也可以将底部屏蔽14和散热器20的平板部20b共同化，将两者一体地形成。
屏蔽盒16是为了确保电容器12的收纳空间而在线圈11的背面侧设置的大致箱状的金属框架。本实施方式的屏蔽盒16将铜板或铝板等的一张金属板折弯而简单地成形，具有大致长方体的外形。具体而言，屏蔽盒16具有与磁性体13的背面相对配置的平板部16a、从平板部16a的宽度方向的两端部延伸的侧壁16b及侧壁16b的前端部向内侧(或外侧)折弯而成的凸缘部16c。另外，在与底部屏蔽14相对的屏蔽盒16的背面侧设有电容器12的收纳口16d。这样，从线圈轴向观察，本实施方式的屏蔽盒16具有在一个方向上细长的平面形状。
屏蔽盒16的平板部16a直接或经由导热膏等中间材料与磁性体13的背面接触，并与磁性体13热连接。另外，屏蔽盒16的凸缘部16c直接或经由导热膏等中间材料与底部屏蔽14的主面14a接触。通过这样的结构，屏蔽盒16(第二金属屏蔽)的平板部16a经由侧壁16b及凸缘部16c与底部屏蔽14(第一金属屏蔽)热连接。特别是，由于凸缘部16c的平面部与底部屏蔽14的主面相对，并且底部屏蔽14和屏蔽盒16面接触，因此，能够提高热传导性。
在本实施方式中，从线圈轴X0的行进方向观察的屏蔽盒16(第二金属屏蔽)的平板部16a的外形尺寸优选为磁性体13的外形尺寸以下。即，平板部16a的轮廓构成为与磁性体13的轮廓一致或收纳于其内侧，且不会突出于磁性体13的轮廓的外侧。通过这样的结构，由于从磁性体13的端部13e射出的磁通
Figure BDA0001745656440000081
不与平板部16a交链，因此，能够防止平板部16a的发热。
磁性体13及屏蔽盒16的平板部16a也可以为如图示的整体平板形状，也可以为按照线圈11的开口部在中央具有开口部的形状，也可以为进一步形成有从开口部向外侧的狭缝的形状。这种情况下，为了防止平板部16a的发热，平板部16a的开口部的轮廓也需要不突出于磁性体13的轮廓的外侧。
如图3所示，在包围电容器12的周围的屏蔽盒16的侧壁16b的一部分设有开口部16e，与线圈11或电容器12连接的电力电缆19从开口部16e引出到屏蔽盒16的外侧。此外，如果为供电装置2则一对电力电缆19的前端部与逆变器电路连接，另外，如果为受电装置3则一对电力电缆19的前端部与整流电路连接。
开口部16e优选设置在屏蔽盒16的长边方向的两端，电力电缆19从两个开口部16e的任一方引出。在将线圈面垂直立起进行大致水平方向的电力传输的方式中，通过将线圈单元10横向设置能够低高度化，但在屏蔽盒16的短边方向的一端侧的侧壁设置开口部的情况下，线圈单元10的高度提高从屏蔽盒16的短边方向的一端侧引出的电力电缆19的量。但是，在从线圈单元10的长边方向的一端侧引出电力电缆19的情况下，线圈单元10的低高度化不受电力电缆19的阻碍，并且可以进行线圈单元整体的低高度化。
侧壁16b及凸缘部16c优选沿着屏蔽盒16(平板部16a)的长边方向设置。根据该构造，能够增大传热路径的截面积，另外，能够尽可能较大地确保屏蔽盒16与底部屏蔽14接触的面积，由此，能够降低热阻并使散热性提高。另外，能够在屏蔽盒16的长边方向的两端设置开口部16e，并从横向引出电力电缆19。因此，如图3所示在将线圈面垂直立起进行大致水平方向的电力输出的情况下，能够横向地配置线圈单元10，且能够实现线圈单元10的低高度化。
优选线圈11的线圈轴X0朝向大致水平方向，无线电力传输系统进行大致水平方向的电力传输。在使供电线圈及受电线圈在上下方向上相对进行垂直方向的电力传输的情况下，存在金属的异物附着在朝上的线圈的上表面的状态持续的情况，并且存在由于金属的异物导致电力传输效率降低，不能进行电力传输的担忧。但是，在将线圈面垂直立起进行大致水平方向的电力传输的情况下，由于要附着于垂直的线圈面的金属从该线圈面落下，因此，能够避免电力传输效率的降低。另外，也可以避免金属异物的发热。
如以上所说明的，由于本实施方式的线圈单元10具备收纳电容器12的金属制的屏蔽盒16(第二金属屏蔽)，在屏蔽盒16设有将包围电容器12的周围的侧壁16b的前端部折弯而成的凸缘部16c，并且凸缘部16c与底部屏蔽14(第一金属屏蔽)的主面热连接，因此，能够降低底部屏蔽14和屏蔽盒16之间的热阻而使散热性提高。因此，能够抑制电容器12的过热，并且使从线圈11或磁性体13中产生的热有效地散热。
另外，由于俯视时本实施方式的线圈单元10的屏蔽盒16(第二金属屏蔽)的外形尺寸不会突出于磁性体13的外侧，因此，能够防止从线圈11产生并从磁性体13的端部射出的磁通与平板部16a交链，且能够抑制伴随由磁通的交链而产生的涡电流的平板部16a的发热。另外，由于屏蔽盒16与底部屏蔽14(第一金属屏蔽)热连接，因此，能够将在线圈单元产生的热有效地散热。
图5是表示本发明的第二实施方式的线圈单元的结构的大致剖视图。
如图5所示，本实施方式的线圈单元10的特征在于还具备配置成覆盖线圈11的周围的侧屏蔽15。侧屏蔽15通过例如铜板或铝板等一张金属板的折弯加工与和底部屏蔽14平行的平板部21一体地构成。侧屏蔽15也可以由与平板部21不同的部件构成。侧屏蔽15在Y轴方向上从磁性体13的端部13e分开地配置，从磁性体13到侧屏蔽15的Y轴方向的距离Ly(第一距离)至少大于零，优选比从线圈11的中心到线圈11的最内周的最接近的导线部分的距离大。由此，能够抑制有助于电力传输的主磁通的遮蔽，并且能够遮蔽大幅围绕远离相对的线圈的区域的漏磁通，由此，能够维持期望的电力传输效率并且降低漏磁通。
由于在磁性体13和底部屏蔽14之间设有屏蔽盒16，因此，底部屏蔽14也在X轴方向(线圈轴向)上从磁性体13分开地配置。即，从包含磁性体13的与线圈11的相对面的相反侧的背面的基准平面SS到底部屏蔽14的X轴方向的距离Lx(第二距离)大于零。此外，底部屏蔽14只要至少在磁性体13的端部13e和侧屏蔽15之间的区域，在X轴方向上从基准平面SS分开即可。通过这样的结构，能够使有助于电力传输的主磁通不被底部屏蔽14遮蔽。因此，能够抑制底部屏蔽14的发热并且使电力传输效率提高。
相比磁性体13更向线圈11的线圈轴X0的延伸方向的前方突出的侧屏蔽15的突出部分的长度Lp优选至少大于零，比从磁性体13的端部13e到侧屏蔽15的Y轴方向的距离Ly短，并且比从磁性体13到底部屏蔽14的距离Lx短。另外，从磁性体13到底部屏蔽14的距离Lx优选比从磁性体13的端部到侧屏蔽15的距离Ly短，且为Ly的0.6倍以上且低于1倍(0.6Ly≤Lx＜Ly)。根据这样的结构，能够在适当地远离磁性体13的端部13e的位置设置适当的大小的侧屏蔽15。因此，能够抑制有助于电力传输的主磁通的遮蔽，并且降低大幅围绕远离相对的线圈的区域的漏磁通，能够维持期望的电力传输效率并且抑制噪声。另外，不仅侧屏蔽15，而且底部屏蔽14也能够设置在适当地远离磁性体13的端部13e的位置。因此，能够抑制底部屏蔽14的发热，并且抑制线圈单元的厚度的増大。
另外，在本实施方式中，底部屏蔽14设置在与侧屏蔽15一体化的金属制的平板部21上，散热器20经由平板部21与底部屏蔽14连接。散热器20不与底部屏蔽14的背面接触，但经由平板部21与底部屏蔽14热连接。因此，能够将由线圈11或磁性体13产生的热传递到散热器20来提高散热性，且能够起到与第一实施方式同样的效果。此外，在本实施方式中，平板部21由与底部屏蔽14不同的部件构成，但也可以将底部屏蔽14和平板部21共同化，将两者一体化而构成。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以进行各种变更，当然这些也包含在本发明的范围内。
例如，对在上述实施方式中，使用本发明的线圈单元10构成供电装置2及受电装置3两者的情况进行了说明，但本发明不限定于这样的情况，也可以使用本发明的线圈单元10仅构成供电装置2及受电装置3的任一者。

Claims (9)

1.一种受电装置，其特征在于，
具备线圈单元和与所述线圈单元连接的整流电路，
所述线圈单元具备：
线圈，导线被螺旋状地卷绕；
电容器，其与所述线圈电连接；
磁性体，其配置于所述线圈的线圈轴向的一端侧；
第一金属屏蔽，其配置于所述磁性体的与所述线圈的相对面的相反侧；和
第二金属屏蔽，其配置于所述磁性体和所述第一金属屏蔽之间，并且形成所述电容器的收纳空间，
所述第二金属屏蔽包含：平板部，其与所述磁性体的与所述线圈的相对面的相反侧的面相对；侧壁，其配置于所述电容器的周围；和凸缘部，朝向所述第一金属屏蔽的所述侧壁的前端部向内侧折弯而成，
所述凸缘部配置成与所述第一金属屏蔽热连接。
2.根据权利要求1所述的受电装置，其中，
所述凸缘部的主面与所述第一金属屏蔽的主面面接触。
3.根据权利要求1所述的受电装置，其中，
所述第二金属屏蔽配置成与所述磁性体热连接。
4.根据权利要求1所述的受电装置，其中，
从所述线圈轴向观察，所述第二金属屏蔽具有在一个方向上细长的平面形状，
所述凸缘部沿着所述第二金属屏蔽的长边方向设置。
5.根据权利要求1所述的受电装置，其中，
在所述侧壁的一部分设有开口部，
与所述线圈或所述电容器连接的电力电缆从所述开口部引出到外侧。
6.根据权利要求5所述的受电装置，其中，
从所述线圈轴向观察，所述第二金属屏蔽具有在一个方向上细长的平面形状，
所述线圈的线圈轴朝向大致水平方向，
所述开口部设置于所述第二金属屏蔽的长边方向的一端侧。
7.根据权利要求1所述的受电装置，其中，
从所述线圈轴向观察的所述第一金属屏蔽的外形尺寸比所述第二金属屏蔽的外形尺寸大。
8.根据权利要求1所述的受电装置，其中，
在所述第一金属屏蔽的与所述第二金属屏蔽的相对面的相反侧设有散热器。
9.一种无线电力传输系统，其特征在于，
具备无线地提供电力的供电装置和无线地接收从所述供电装置供电的电力的权利要求1～8中任一项所述的受电装置。
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