CN110323838A - 线圈单元、无线供电装置、无线受电装置及无线电力传输系统 - Google Patents

线圈单元、无线供电装置、无线受电装置及无线电力传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种线圈单元以及具备所述线圈单元的无线供电装置、无线受电装置及无线电力传输系统，所述线圈单元能够抑制由电力传输线圈和磁性体之间的距离产生偏差导致的电力传输线圈的特性变化。线圈单元(1)具备：将导线(16)呈螺旋状卷绕而构成的线圈(12)、磁性体(13)、配置于线圈(12)和磁性体(13)之间的基材(11)，线圈(12)及磁性体(13)固定于基材(11)。

Description

线圈单元、无线供电装置、无线受电装置及无线电力传输系统
技术领域
本发明涉及线圈单元、无线供电装置、无线受电装置及无线电力传输系统。
背景技术
已知有一种无线电力传输技术。无线电力传输技术利用初级(供电)线圈和次级(受电)线圈之间的电磁感应作用，无线地传输电力。无线电力传输技术利用供电侧线圈上产生的交流磁通交链于受电侧线圈。
在无线电力传输技术中，寻求具备线圈和磁性体的线圈单元的薄型化及小型化。在通常的线圈单元中，线圈和磁性体被容纳于容纳箱(专利文献1等)。
专利文献1公开了一种具备电力传输线圈、磁性体、基材以及容纳箱的非接触电力传输单元。在专利文献1所记载的非接触电力传输单元中，容纳箱按顺序容纳磁性体、基材以及电力传输线圈。该非接触电力传输单元通过基材上的分隔区域确保电力传输线圈和磁性体的间隔。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017－84840号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在无线电力传输中，当电力传输线圈和磁性体之间的距离发生变化时，电力传输线圈的特性发生变化，因此，在寻求线圈单元的薄型化及小型化的同时，寻求电力传输线圈的特性变化的抑制。
但是，在专利文献1所记载的非接触电力传输单元中，电力传输线圈和磁性体被容纳于容纳箱，磁性体被固定于基材，电力传输线圈被容纳于容纳箱的线圈定位槽部且通过填充材料固定。因此，在专利文献1所记载的非接触电力传输单元中，电力传输线圈和磁性体之间的距离容易产生偏差，电力传输线圈的特性发生变化，电力传输性能可能降低。
本发明提供一种能够抑制由电力传输线圈和磁性体之间的距离产生偏差导致的电力传输线圈的特性变化的线圈单元以及具备所述线圈单元的无线供电装置、无线受电装置及无线电力传输系统。
用于解决问题的技术方案
本发明的线圈单元具备：将导线呈螺旋状卷绕而构成的线圈、磁性体、配置于所述线圈和所述磁性体之间的基材，所述线圈及所述磁性体固定于所述基材。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够抑制由电力传输线圈和磁性体之间的距离产生偏差导致的电力传输线圈的特性变化的线圈单元以及具备所述线圈单元的无线供电装置、无线受电装置及无线电力传输系统。
附图说明
图1是表示一实施方式的无线电力传输系统的一例的结构图。
图2是表示图1的无线电力传输系统的供电线圈单元及受电线圈单元的结构的电路图。
图3是用于说明一实施方式的线圈单元的结构的剖开模型的立体图。
图4是图3的线圈单元的俯视图。
图5是图3的线圈单元的俯视图。
图6是沿图4中所示的线段A－A的线圈单元的剖视图。
图7是其他的实施方式的线圈单元的俯视图。
具体实施方式
以下，适宜参照附图详细说明本实施方式。在以下说明中使用的附图中，有时为了方便起见将特征部分放大表示。有时各结构要素的尺寸比例等与实际不同。以下的说明中列举的材料、尺寸等为一例。本发明不限于这些示例，可在不变更宗旨的范围内进行适宜变更而实施。
<无线电力传输系统>
首先，作为本发明的一实施方式，对例如图1及图2所示的无线电力传输系统100进行说明。图1是表示无线电力传输系统100的一例的结构图。图2是表示无线电力传输系统100的供电线圈单元203及受电线圈单元301的结构的电路图。
本实施方式的无线电力传输系统100如图1及图2所示，对搭载于电动汽车EV的蓄电池(二次电池)进行无线充电。电动汽车EV是通过对蓄电池充电的电力驱动马达而行驶的电动车辆(移动体)。在本实施方式中，无线电力传输系统100适用于电动汽车EV，但在其他的实施方式中，无线电力传输系统也可以适用于电动汽车EV以外的移动体、移动设备等。
无线电力传输系统100具备无线供电装置200和无线受电装置300。无线供电装置200设置于充电设备侧的地面G。无线受电装置300搭载于电动汽车EV。
无线供电装置200具备变换电路201、供电电路202以及供电线圈单元203。无线受电装置300具有受电线圈单元301和整流平滑电路303。此外，负载Vload配置于无线受电装置300的外侧。
变换电路201与外部的商用电源P电连接，作为将从商用电源P输入的交流电压变换成期望的直流电压的AC/DC电源发挥功能。变换电路201与供电电路202电连接。变换电路201将变换后的直流电压向供电电路202供给。
关于变换电路201，只要是相对于供电电路202输出直流电压的电路即可，其结构没有特别限制。作为变换电路201，示例有组合了对交流电压进行整流并变换为直流电压的整流电路和进行功率因数改善的PFC(Power Factor Correction)电路的变换电路；组合了上述整流电路和开关计算机等开关电路的变换电路等。
供电电路202将从变换电路201供给的直流电压变换为交流电压。作为供电电路202，可举出多个开关元件被电桥连接的开关电路等。供电电路202与供电线圈单元203电连接。供电电路202基于供电线圈单元203具备的后述的第一LC谐振电路的谐振频率将驱动频率控制的交流电压供给到供电线圈单元203。
供电线圈单元203具备第一LC谐振电路、未示出的基材以及未示出的磁性体。通过后述的“<线圈单元>”项详细说明未示出的基材和未示出的磁性体。
第一LC谐振电路包含供电线圈L1和供电侧电容器C1。通过使第一LC谐振电路的谐振频率接近受电线圈单元301侧的谐振频率(也包含一致的情况)，磁场共振方式的无线电力传输成为可能。另外，在其他实施方式中，供电线圈单元也可以不具备LC谐振电路。即，在其他实施方式中，供电线圈单元也可以不包含供电侧电容器。
在本实施方式的供电线圈单元203中，成为电抗器Ls相对于供电侧电容器C1串联插入的结构。该结构的情况下，由供电线圈单元203、受电线圈单元301、整流平滑电路303及负载Vload构成的无线电力传输网的阻抗的虚部容易控制为正。电抗器Ls相对于比供电线圈单元203侧的谐振频率充分高的频率成分成为高阻抗。由此，能够作为除去高频成分的滤波器起作用。
供电线圈L1由无线电力传输用线圈构成。本实施方式的供电线圈L1以与电动车EV的地板下相对的方式，设置于地面G上或埋设于地面G。此外，在本实施方式中，成为供电线圈L1(供电线圈单元203)与变换电路201一起设置于地面G上的结构。
供电侧电容器C1具有调节谐振频率的功能。本实施方式的供电侧电容器C1由相对于供电线圈L1串联连接的第一电容器C11和相对于供电线圈L1并联连接的第二电容器C12构成，但不限定于这种结构。例如，也可以仅由与供电线圈L1串联连接的第一电容器C11构成。
受电线圈单元301具备第二LC谐振电路、未示出的基材以及未示出的磁性体。通过后述的“<线圈单元>”项详细说明未示出的基材和未示出的磁性体。
第二LC谐振电路包含受电线圈L2和受电侧电容器C2。通过使第二LC谐振电路的谐振频率接近供电线圈单元203侧的谐振频率(也包含一致的情况)，磁场共振方式的无线电力传输成为可能。另外，在其他实施方式中，受电线圈单元也可以不具备LC谐振电路。即，在其他实施方式中，受电线圈单元也可以不包含受电侧电容器。
在本实施方式的受电线圈单元301中，成为电抗器Lr相对于受电侧电容器C2串联插入的结构。该结构的情况下，电抗器Lr相对于比受电线圈单元301侧的谐振频率充分高的频率成分成为高阻抗。由此，能够作为除去高频成分的滤波器起作用。
受电线圈L2由无线电力传输用线圈构成。本实施方式的受电线圈L2以设置于上述地面G上或埋设于地面G的供电线圈L1相对的方式，设置于电动车EV的地板下。
受电侧电容器C2具有调节谐振频率功能。本实施方式的受电侧电容器C2由相对于受电线圈L2串联连接的第三电容器C21和相对于受电线圈L2并联连接的第四电容器C22构成，但不限定于这种结构。例如，也可以仅由与受电线圈L2串联连接的第三电容器C21构成。
整流平滑电路303与受电线圈单元301电连接，对从受电线圈L2供给的交流电压进行整流并变换为直流电压。作为整流平滑电路303，可示例由1个开关元件或二极管和平滑电容器构成的半波整流平滑电路；由电桥连接的4个开关元件或二极管和平滑电容器构成的全波整流平滑电路等。整流平滑电路303与负载Vload电连接。整流平滑电路303将变换的直流电力供给到负载Vload。此外，在无线受电装置300中，也可以为在整流平滑电路303和负载Vload之间具备充电电路的结构。
负载Vload与整流平滑电路303的输出端子之间连接，并从整流平滑电路303供给直流电压。作为负载Vload，可示例搭载于上述电动车EV的蓄电池、马达等。
负载Vload根据电力的需要状态(储藏状态或消耗状态)能够认为等效电阻值随着时间变换的电阻负载。此外，整流平滑电路303中的消耗电力比负载Vload中的消耗电力充分小。
在具备以上说明的结构的电力传输系统100中，通过利用了供电线圈单元203和受电线圈单元301之间的谐振(共振)现象的磁场共振方式，能够从无线供电装置200朝向无线受电装置300无线地传输电力。即，在该磁场谐振方式中，能够使2个谐振器203、301间的谐振频率接近(也包含一致的情况。)，能够将该谐振频率附近的高频电流及电压施加于供电线圈单元203，能够无线地将电力传输(供给)到电磁谐振(共振)后的受电线圈单元301。此外，无线供电装置200及无线受电装置300也可以具备在无线供电装置200和无线受电装置300之间进行通信的通信电路。
因此，在本实施方式的电力传输系统100中，不进行与充电电缆的连接，也能够将从充电设备侧供给的电力无线地传输到电动车EV，同时对搭载于该电动车EV的蓄电池进行无线充电。
<线圈单元>
其次，作为一实施方式的线圈单元，对图3～图6所示的线圈单元1进行说明。图3是用于说明线圈单元1的结构的剖开模型的立体图。图4是线圈单元1的俯视图。图5是线圈单元1的俯视图。图6是沿图4中所示的线段A－A的线圈单元1的剖视图。
如图3～图6所示，线圈单元1具备基材11、线圈12以及磁性体13。在线圈单元1中，磁性体13由多个(在本实施方式中为4个)磁性体片21构成。磁性体片21将在之后描述。在线圈单元1中，基材11、线圈12以及磁性体13被容纳于未示出的框体。此外，线圈单元1还可以具备电容器。在线圈单元1具备电容器的情况下，电容器没有特别限制。
基材11配置于线圈12和磁性体片21之间。基材11具有第一平面11a和第二平面11b。第一平面11a和第二平面11b相互对置且平行。而且，第一平面11a和第二平面11b之间的距离、即基材11的厚度D是固定的。基材的厚度D没有特别限制，但例如，能够设定为0.5～5.0mm。
基材11由绝缘部件构成。绝缘部件没有特别限制，但示例玻璃、树脂等。但是，优选使用树脂作为绝缘部件。作为树脂的具体例，示例丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物树脂(ABS树脂)、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂(PBT树脂)、聚苯硫醚树脂(PPS树脂)等。
在线圈单元1中，基材11是绕线骨架的形式。绕线骨架是用于整齐地卷绕线圈12的导线16，保持线圈12的导线16的形状的零件。
基材11具有第一容纳部14和第二容纳部15。
第一容纳部14容纳线圈12。第一容纳部14配备于基材11的第一平面11a。第一容纳部14具有划分线圈12的导线16间的区划壁17。能够通过区划壁17对每卷导线16的位置的变动进行抑制，因此，能够进一步抑制电力传输线圈的特性变化。
区划壁17设置于第一平面11a。区划壁17的高度没有特别限制。但是，优选区划壁17的高度大于导线16的直径，在导线16的直径的1.2倍以下。如果区划壁17的高度大于导线16的直径，则容易防止当线圈单元1受到振动、冲击等外力时线圈12与其他的部件的接触。另外，如果区划壁17的高度在导线16的直径的1.2倍以下，则能够进一步使线圈单元1薄型化。因此，如果区划壁17的高度大于导线16的直径，且在导线16的直径的1.2倍以下，则能够兼顾线圈单元1的薄型化和防止线圈12与其他的部件的接触。
此外，在由振动、冲击等外力导致的对线圈单元1的影响小的情况下，优选使区划壁17的高度在导线16的直径以下。由此，能够使线圈单元1进一步薄型化。
第二容纳部15容纳磁性体片21。第二容纳部15配备于基材11的第二平面11b。第二容纳部15以第二平面11b为基准面，以在第一平面11a侧上雕刻的方式形成方形状。即，在第二容纳部15上形成有容纳磁性体片21的雕刻部分。由此，能够使线圈单元1进一步薄型化。
第二容纳部15上的雕刻的深度没有特别限制。但是，优选雕刻的深度大于磁性体片21的厚度，且在磁性体片21的厚度的1.2倍以下。如果雕刻的深度大于磁性体片21的厚度，则在线圈单元1受到振动、冲击等外力时容易防止磁性体片21与其他的部件的接触。另外，如果雕刻的深度在磁性体片21的厚度的1.2倍以下，则能够使线圈单元1进一步薄型化。因此，如果雕刻的深度大于磁性体片21的厚度，且在磁性体片21的厚度的1.2倍以下，则能够兼顾线圈单元1的薄型化和防止磁性体片21与其他的部件的接触。此外，雕刻的深度是以第二平面11b为基准面而测定的。
此外，在由振动、冲击等外力导致的对线圈单元1的影响小的情况下，优选使雕刻的深度在磁性体片21的厚度以下。由此，能够使线圈单元1进一步薄型化。
在本实施方式中，第二容纳部15被分割成多个(4个)区域。这样，线圈单元1将多个磁性体片21分割成多个第二容纳部15而配置。由此，能够抑制由磁性体片21的尺寸偏差导致的形成于第二容纳部15的间隙的大小的偏差，能够进一步抑制电力传输线圈的特性变化。
具体而言，例如，在第二容纳部15为一个的情况下，如果将磁性体片从端部开始容纳于第二容纳部15，则会在第二容纳部15的一部分上产生间隙。由此，磁对称性打破，容易产生电力传输线圈的特性变化。另一方面，在有多个第二容纳部15的情况下，如果将多个磁性体片21从端部开始容纳于各第二容纳部15，则会在各第二容纳部15的一部分上产生间隙，但能够使第二容纳部15彼此的间隙具有对称性。由此，电力传输线圈上的整体磁对称性不容易打破，能够进一步抑制电力传输线圈的特性变化。
线圈12具有卷线部18、第一配线部19以及第二配线部20。
卷线部18是将导线16呈螺旋状卷绕而构成的部分。导线16也可以是包含例如铜、铝等的绞合线。
第一配线部19是导线16从卷线部18的内周侧的端部(线圈12的第一端部)向卷线部18的内周侧延长的部分。
第二配线部20是导线16从卷线部18的外周侧的端部(线圈12的第二端部)向外周侧延长的部分。
线圈12能够用作供电线圈L1，也能够用作受电线圈L2。
磁性体片21是具有方形状的面的板状的部件。具有磁性体片21的方形状的面与具有用于容纳磁性体片21的第二容纳部15的面相比更小。磁性体片21的方形状的面由后述的第一灌封树脂(未示出)覆盖表面，且固定于第二容纳部15的容纳面。第二容纳部15的容纳面是具有用于容纳磁性体片21的第二容纳部15的面。
作为一例，磁性体片21使用铁氧体而构成。能够通过磁性体片21增强线圈间的结合。
磁性体片21通过第二容纳部15中未示出的第一灌封树脂固定于基材11。第一灌封树脂通过覆盖磁性体片21的方形状的面的表面，在第二容纳部15的容纳面上固定磁性体21。由此，即使在磁性体片21受到冲击等而分割的情况下，也能够防止分割后的磁性体片21的飞散。
第一灌封树脂没有特别限制。但是，作为第一灌封树脂，优选热固性树脂。作为热固性树脂的具体例，示例丙烯树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、环氧树脂、热固性聚酰亚胺、硅树脂、聚氨酯树脂等。热塑性树脂不限于这些示例。
在通常的铁氧体等磁性体的制造中，因为经过烧成等工序，所以容易产生尺寸误差，磁性体的尺寸误差可能会导致电力传输线圈的特性发生变化。与此不同，线圈单元1通过将多个磁性体片21分割成多个第二容纳部15而配置，不容易受磁性体的尺寸误差的影响。另外，能够抑制由磁性体片21的尺寸偏差导致的形成于第二容纳部15的间隙的偏差。其结果，能够进一步抑制电力传输用线圈的特性变化。
作为一例，本实施方式提供一种线圈单元1，其表示了第一容纳部14具有区划壁17的形式，但在其他的实施例中，也可以省略区划壁17。在该情况下，第一容纳部14容纳有由导线16呈螺旋状卷绕而构成的线圈。另外，也可以是以下形式，以第一平面11a为基准面在第二平面11b侧上雕刻而形成第一容纳部14。
作为一例，本实施方式提供一种线圈单元1，其表示了在第一平面11a侧上雕刻而形成第二容纳部15的形式，但作为其他的实施例，也可以是以下形式，第二容纳部15具备容纳磁性体的突部。在该情况下，突部以从第一平面11a朝向第二平面11b的方向为突部的高度方向，设置于第二平面11b。
作为一例，本实施方式提供一种线圈单元1，其表示了通过在多个第二容纳部15上并列配置多个磁性体片21，整体构成磁性体13的形式，但作为其他的实施例，也可以是以下形式，线圈单元1具备1个磁性体。
(作用效果)
在以上说明的本实施方式的线圈单元中，在配置于线圈及磁性体之间的基材上固定有线圈及磁性体，因此，基材能够一体地保持线圈及磁性体。另外，在本实施方式的线圈单元中，基材的厚度是一定的。由此，在实际的制造中，线圈和磁性体之间的距离不容易产生偏差，线圈的特性变化被抑制。
通过这样在基材上固定线圈及磁性体，能够使在制造现场容易产生的线圈和磁性体之间的距离的偏差的原因中除基材的厚度的偏差以外的因素最小化。
图7是其它实施方式的线圈单元2的俯视图。在以下的说明中，使用线圈单元2的结构和线圈单元1的结构而具有相同或者类似的功能的结构标注相同的符号。关于使用线圈单元2和线圈单元1进行重复的结构，省略其说明。
在线圈单元2中，线圈12的导线呈螺旋状卷绕的部分(卷线部18)的一部分通过第二灌封树脂22固定于基材11。如果这样卷线部18的一部分通过第二灌封树脂22固定，则能够抑制由第二灌封树脂22导致的线圈单元2的重量的增加，并且能够将线圈12固定于基材11。
第二灌封树脂没有特别限制。但是，作为第二灌封树脂，优选热固性树脂。作为热固性树脂的具体例，与作为第一灌封树脂的优选的具体例举出的树脂相同。第二灌封树脂可以与第一灌封树脂相同，也可以与第一灌封树脂不同。
在线圈单元2中也能够得到与线圈单元1相同的作用效果，因此，线圈的特性变化被抑制，线圈单元的厚度的增大也被抑制。
标记说明
1、2…线圈单元、11…基材、11a…第一平面、11b…第二平面、12…线圈、13…磁性体、14…第一容纳部、15…第二容纳部、16…导线、17…区划壁、18…卷线部、19…第一配线部、20…第二配线部、21…磁性体片、22…第二灌封树脂、100…无线电力传输系统、200…无线供电装置、201…变换电路、202…供电电路、203…供电线圈单元、300…无线受电装置、301…受电线圈单元、303…整流平滑电路、L1…供电线圈、L2…受电线圈、C1…供电侧电容器、C2…受电侧电容器、EV…电动汽车、Vload…负载。

Claims (12)

1.一种线圈单元，其中，
具备：
将导线呈螺旋状卷绕而构成的线圈；
磁性体；和
配置于所述线圈和所述磁性体之间的基材，
所述线圈及所述磁性体固定于所述基材。
2.根据权利要求1所述的线圈单元，其中，
所述基材由树脂构成。
3.根据权利要求1或2所述的线圈单元，其中，
所述基材具有容纳所述线圈的第一容纳部。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的线圈单元，其中，
所述基材具有划分所述线圈的导线之间的区划壁。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的线圈单元，其中，
所述基材具有容纳所述磁性体的第二容纳部。
6.根据权利要求5所述的线圈单元，其中，
所述第二容纳部被分割成多个区域。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的线圈单元，其中，
所述磁性体由多个磁性体片构成。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的线圈单元，其中，
所述磁性体由第一灌封树脂覆盖并固定于所述基材。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的线圈单元，其中，
将所述线圈的导线呈螺旋状卷绕的部分的一部分通过第二灌封树脂固定于所述基材。
10.一种无线送电装置，其中，
是通过无线输送电力的无线送电装置，
其具备权利要求1～9中任一项所述的线圈单元。
11.一种无线受电装置，其中，
是通过无线接收电力的无线受电装置，
其具备权利要求1～9中任一项所述的线圈单元。
12.一种无线电力传输系统，其中，
是通过无线从无线送电装置朝向无线受电装置传输电力的无线电力传输系统，
所述无线送电装置及所述无线受电装置的至少一方具备权利要求1～9中任一项所述的线圈单元。
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