JP2003022921A

JP2003022921A - 非接触伝送カプラ

Info

Publication number: JP2003022921A
Application number: JP2001209347A
Authority: JP
Inventors: Fumiaki Nakao; 文昭中尾; Yoshio Matsuo; 良夫松尾; Mikio Kitaoka; 幹雄北岡; Katsuo Yamada; 克夫山田; Hiroshi Sakamoto; 浩坂本
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2003-01-24
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: JP4634662B2

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気結合によって電力伝送を行う非接触伝送
カプラの一次側と二次側間のコア位置合わせに余裕幅を
持たせて使い勝手を向上させる。【解決手段】片面にコイル巻線用の環状溝１２を有す
る一対の円盤状磁気コア１，１を、上記環状溝１２側の
面が向かい合うように対向させることにより、一方のコ
ア１のコイルＬ１から他方のコア１のコイルＬ２へ磁気
結合による電力伝送を行わせるとともに、上記環状溝１
２の内側に位置する中足部１１の径ａと上記環状溝１２
の幅ｂとをほぼ同寸にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は磁気結合方式の非
接触伝送カプラに関し、たとえば電気自動車や電気機器
への給電や充電を非接触で行うのに利用して有効な技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車や電気自転車、あるいはその
他の電気機器への給電や充電を非接触で行う手段とし
て、磁気結合方式の非接触伝送カプラが提供されてい
る。この非接触伝送カプラは、図５に示すように、巻線
用の環状溝を有する円盤状の磁気コア１’を用いて構成
することができる。

【０００３】図５は従来の非接触伝送カプラの構成例を
示す。同図において、（Ａ）は磁気コア１’の破断斜視
図、（Ｂ）はその平面図、（Ｃ）は上記コア１’を用い
た非接触伝送カプラの断面図、（Ｄ）はその等価回路図
をそれぞれ示す。同図において、磁気コア１’，１’は
それぞれ、フェライト磁性体等を用いて円盤状に一体形
成されている。この円盤状磁気コア１’の片面にはコイ
ルＬ１，Ｌ２を巻線するための環状溝１２が形成され、
この環状溝１２を迂回してＵ字状の開磁路が形成される
ようになっている。環状溝１２の内側は円形テーブル状
の中足部１１となってＵ字状開磁路の一方の磁極面を形
成し、その外側は環状の外足部１３となって上記Ｕ字状
開磁路の他方の磁極面を形成する。

【０００４】非接触伝送カプラは、それぞれにコイルＬ
１，Ｌ２を巻線した一対の磁気コア１’，１’の磁極面
同士を近接対向させることにより、各コア１’，１’が
それぞれに形成する開磁路が互いに間隙（空間磁路）を
挟んで結合させられ、環状の閉磁路Ｂを形成する。そし
て、この閉磁路Ｂにより、一方のコア１’のコイルＬ１
から他方のコア１’のコイルＬ２へ交流（高周波）電力
の伝送を行わせることができる。この場合、一方のコア
１’とコイルＬ１はトランスの一次側に相当する働きを
し、他方のコア１’とコイルＬ２はその二次側に相当す
る働きをする（以上、特開昭２０００−１５０２７３参
照）。

【０００５】上述した非接触伝送カプラにおいて電力の
伝送効率を高めるためには、一次側と二次側間の磁気的
結合を密にする必要がある。すなわち、一次／二次間に
できるだけ高い磁気結合係数を確保する必要がある。そ
こで、従来は、コア１’の磁極となる部分の面積（磁極
面積）をできるだけ大きくすることで、コア１’，１’
間の磁気結合を最大化することが行われていた。対向す
る磁極面積が大きければ、それだけ磁気結合を密にでき
るからである。このため、上記コア１’，１’は、全体
を隙間の無い充実一体構造（いわゆる無垢構造）にする
とともに、できるだけ大きな磁極面積を持つように形成
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の非接触
伝送カプラは、一次側と二次側の両コア１’，１’の位
置を正確に重ね合わせた場合の磁気結合状態を最適化す
るように構成されているが、その位置合わせにズレ（横
ズレ）が生じた場合に生じる結合係数の低下について
は、とくに考慮はされていなかった。このため、上記カ
プラを用いて電気自動車等への給電や充電を非接触で行
わせる場合、一次側と二次側の両コア１’，１’を正確
に位置合わせする必要があった。しかし、これは非接触
伝送カプラの使い勝手を著しく損なう。上記位置合せを
正確に行わせるためには、専用の位置決め連結機具を使
用することが考えられるが、これだと、通常の接触式コ
ネクタと同じような使い勝手となって、非接触伝送カプ
ラの利点が失われてしまう。

【０００７】この発明は以上のような問題に鑑みてなさ
れたもので、その目的は、非接触伝送カプラの一次側と
二次側間のコア位置合わせに余裕幅を持たせて使い勝手
を向上させることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は次のような解決
手段を提供する。すなわち、片面にコイル巻線用の環状
溝を有する一対の円盤状磁気コアを、上記環状溝側の面
が向かい合うように対向させることにより、一方のコア
のコイルから他方のコアのコイルへ磁気結合による電力
伝送を行わせるようにした非接触伝送カプラであって、
上記環状溝の内側に位置する中足部の径と上記環状溝の
幅とをほぼ同寸にしたことを特徴とする。上記手段によ
り、非接触伝送カプラの一次側と二次側間のコア位置合
わせに余裕幅を持たせて使い勝手を向上させることがで
きる。上記効果を得る上で、環状溝の幅と上記中足部の
径との差は±２０％以内とすることが望ましい。

【０００９】また、上記手段において、上記中足部が形
成する磁極面積と、上記環状溝の外側に位置する環状の
外足部が形成する磁極面積とが、ほぼ同じになるように
すれば、良好な磁路バランスを得てコア損失を最小化す
ることができる。上記効果を得る上で、上記中足部が形
成する磁極面積と上記外足部が形成する磁極面積との差
は±２０％以内であることが望ましい。

【００１０】上記磁気コアは、円盤状の一体型磁気コア
であってもよく、また、複数の分割コアにより、全体と
して円盤状の外郭をなすように形成されていてもよい。
さらに、上記磁気コアが複数の分割コアにより、全体と
して円盤状の外郭をなすように形成される場合は、各分
割コアの間に扇状の隙間が置くことができる。この扇状
の隙間により、コアを減量することができるとともに、
位置ズレ時の磁気結合係数を高く維持する効果を得るこ
とができる。

【００１１】上記磁気コアはフェライト磁性材で形成す
ることができる。また、上記磁気コアの非対向側コーナ
部を面取り形成することにより、コアをさらに減量でき
るとともに、コア縁端部での折損を生じにくくすること
ができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明による非接触伝送カ
プラの一実施例を示す。同図において、（Ａ）は磁気コ
ア１の破断斜視図、（Ｂ）はその平面図、（Ｃ）は上記
コア１を用いた非接触伝送カプラの断面図、（Ｄ）はそ
の等価回路図をそれぞれ示す。

【００１３】同図に示すカプラは、基本的には前述した
従来のものと同様、それぞれにコイルＬ１，Ｌ２を巻線
した一対の磁気コア１，１の磁極面同士を近接対向させ
るようにしたものである。各コア１，１がそれぞれに形
成する開磁路は、互いに間隙（空間磁路）を挟んで結合
させられることにより、環状の閉磁路を形成する。そし
て、この閉磁路により、一方のコア１のコイルＬ１から
他方のコア１のコイルＬ２へ交流（高周波）電力の伝送
を行わせるようにしている。

【００１４】磁気コア１はフェライト磁性体等を用いて
円盤状に一体形成されている。この円盤状磁気コア１の
片面にはコイルＬ１，Ｌ２を巻線するための環状溝１２
が形成され、この環状溝１２を迂回してＵ字状の開磁路
が形成されるようになっている。環状溝１２の内側は円
形テーブル状の中足部１１となってＵ字状開磁路の一方
の磁極面を形成し、その外側は環状の外足部１３となっ
て上記Ｕ字状開磁路の他方の磁極面を形成する。

【００１５】ここで、図１に示した実施例のカプラは、
上記中足部１１の径ａと環状溝１２の幅ｂとがほぼ等し
くなるように構成されている。従来においては、一次側
と二次側のコアを対向させたときの磁気結合係数を高め
るという理由により、磁極面を形成しない環状溝はコイ
ルの巻線スペースとして必要な幅だけしか確保せず、し
たがって、その幅ｂは中足部の径ａよりもかなり小さか
ったが（ａ＞ｂ）、図１に示した実施例では、環状溝１
２の幅ｂが中足部１１の径ａとほぼ同寸になっている
（ａ＝ｂ）。つまり、本発明の非接触伝送カプラでは、
コア１の環状溝幅ｂが、従来に比べると、相対的に大幅
に拡大されている。

【００１６】環状溝１２の幅ｂを相対的に大きくすれ
ば、中足部１１の径ａが相対的に小さくなるため、コア
１の磁極面積は減少する。この磁極面積の減少は一次／
二次間の磁気結合係数を低下させると従来は考えられて
いたが、本発明者が知得したところによれば、環状溝幅
ｂと中足径ａがほぼ等しくなるところでは、磁気結合係
数はそれほど低下せず、さらに、一次側と二次側のコア
１，１間に位置ズレが生じても、その位置ズレによる磁
気結合係数の低下を小さくできることが判明した。すな
わち、コア１の環状溝幅ｂと中足径ａをほぼ等しくする
ことで、非接触伝送カプラの一次側と二次側間のコア位
置合わせに余裕幅を持たせて使い勝手を向上させること
ができる。

【００１７】図２は、コア１，１の位置ズレに対する磁
気結合係数の変化状態をコアの形状ごとに示す。同図に
示すように、コア１の環状溝幅ｂが中足径ａに対して狭
く形成された従来の非接触伝送カプラは、一次／二次の
両コアの位置を正確に重ね合わせたときには比較的高い
磁気結合係数を得ることができるが、その位置合わせに
ズレが生じると、そのズレによって磁気結合係数が急激
に低下する。一方、コアの環状溝幅ｂが中足径ａとほぼ
同じに形成された本発明の非接触伝送カプラは、コア
１，１の位置合わせにズレが生じても、そのズレによる
磁気結合係数の低下は比較的緩慢である。これにより、
コア１，１の位置合わせに多少のズレが生じても、実用
上支障のない磁気結合状態を得て、非接触による電力伝
送を高効率に行わせることができる。

【００１８】この位置ズレに対する磁気結合係数の変化
状態は、図２に示すように、コアの中足径ａと環状溝幅
ｂがほぼ等しくなるところ（ａ＝ｂ）で最適化される
が、中足径ａと環状溝幅ｂの関係が、ａ＝ｂ±２０％と
なるところまでは、実用上支障のない位置ズレ許容幅を
得られることが判明した。

【００１９】上述した効果すなわち位置ズレ許容幅が得
られる理由としては、たとえば図３に示すように、互い
に対向させられた一対のコア１，１のうち、一方のコア
１の中足部１１が、位置ズレ（ｈ）によって他方のコア
１の環状溝１２を跨ぐ位置に来た場合に、同図中に矢印
で示すように、一方のコア１の中足部１１からの磁束Ｂ
が他方のコア１の外足部１３から中足部１１を通って一
方のコア１の中足部１１に戻るような閉磁路が形成され
るためと考えられる。このような閉磁路が形成されるよ
うにするためには、一方のコア１の中足部１１が他方の
コア１の環状溝１２を跨ぐような寸法関係すなわち中足
径ａと環状溝幅ｂがほぼ同じとなるようなコア形状が最
適である。

【００２０】さらに、図１に示した実施例の非接触伝送
カプラでは、上述した構成に加えて、コア１の中足部１
１が形成する磁極面積（Ｓ１）と環状の外足部１３が形
成する磁極面積（Ｓ２）がほぼ等しくなるように構成し
てある。すなわち、中足部１１の上端面における面積Ｓ
１と外足部１３の上端面における面積Ｓ２とがほぼ等し
くなるようにする（Ｓ１＝Ｓ２）。これにより、一次側
と二次側の両コア１，１が形成する環状閉磁路の断面積
が全磁路長にわたって均等化し、閉磁路での磁束分布の
変化を小さくすることができる。つまり、閉磁路内での
磁束密度のバラツキが小さい良好な磁路ぱバランスを得
ることができる。コア損失は磁束密度の約２．４乗に比
例して増大することが知られている。したがって、良好
な磁路バランス状態を得ることができれば、コア損失を
小さくすることができる。さらに、上述したコア形状
（ａ＝ｂ±２０％）にした場合、従来のものに比べて、
環状溝１２の占める割合が大きくすることができる。し
たがって、コア１の減量という効果も併せて得ることが
できる。

【００２１】中足部１１の面積Ｓ１と外足部１４の面積
Ｓ２を等しくするためには、コア１の外径Ｄと中足部１
１の径ａを次のように定めればよい。すなわち、中足部
１１の径ａと環状溝１２の幅ｂを等しくした場合（ａ＝
ｂ）、中足部１１の面積Ｓ１と外足部１３の面積Ｓ２
は、次式（１）（２）によって与えられる。

【００２２】Ｓ１＝（ａ／２）^２・π ・・・（１）Ｓ２＝｛（Ｄ／２）^２−（３ａ／２）^２｝・π ・・・（２）上記式（１）（２）により、Ｓ１＝Ｓ２にするために
は、Ｄに対するａを次のように定めればよい。ａ^２／４＝Ｄ^２／４−９ａ^２／４１０ａ＝Ｄ^２ａ^２＝Ｄ^２／１０ａ＝ｂとすれば、ａとｂはそれぞれ、Ｄ^２／１０の平方
根となるように設定すればよい。上記式（１）（２）は
最適状態を得るための条件であって、実際は、上記式
（１）（２）から与えられる数値に対して±２０％くら
いまでの誤差を許容しても、ほぼ同様の効果を得られる
ことが判明した。

【００２３】上述した実施例のカプラでは、円盤状の一
体型磁気コアを使用したが、本発明では、図４に示すよ
うに、分割形成されたコアの使用も可能である。

【００２４】図４は本発明による非接触伝送カプラの別
の実施例を示す。この実施例の非接触伝送カプラは、同
図の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、一次側と二次側
の各磁気コア１，１をそれぞれ扇状（開度＝６０度）の
コア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃで形成するとともに、各コア
部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃの間にそのコア部材と同形の扇状
隙間（ｇ＝６０度）を介在させてある。各コア部材１
Ａ，１Ｂ，１ＣはそれぞれＵ字状の開磁路を形成すべ
く、片側面に部分環状溝１２’が形成されている。

【００２５】一次側のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃと二次
側のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃはそれぞれ、開磁面側同
士で近接対向させられて環状の閉磁路Ｂを形成すること
により、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２間で交流（高
周波）の電力伝達を行わせる非接触伝送カプラを形成す
る。この場合、一次側と二次側の両コア部材１Ａ−１
Ａ，１Ｂ−１Ｂ，１Ｃ−１Ｃはそれぞれに対をなして磁
気結合されることにより、同図の（Ｄ）または（Ｅ）に
示すようなトランス等価回路を形成する。

【００２６】このようにして、一次側と二次側の各磁気
コア１，１を分割形成するとともに、各分割形成部分の
間に空間磁路（空間に形成される磁路）を形成する隙間
（ｇ）を介在させた非接触伝送カプラが形成されてい
る。この非接触伝送カプラは、上記扇状隙間（ｇ＝６０
度）の分だけ、コア１，１の重量を減量させることがで
きる。

【００２７】各コア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃの非対向側コ
ーナ部はあらかじめ面取り形成されている。符合３はそ
の面取り部を示す。この面取り部３を形成したことによ
り、コア１，１はさらに軽量化されるとともに、コア縁
端部での折損が生じにくくなっている。コア部材は加圧
成型および焼成によって製造されるフェライト磁性体が
主に使用されるが、このフェライト磁性体は概して脆い
ため、その製造や運搬あるいは組立時等に縁端部が折損
しやすいという難点があるが、上記面取り部３はその折
損の予防にも有効である。さらに、大型のフェライトコ
アは、加圧成型時の加圧を均一に行うことが難しいとと
もに、焼成時に亀裂が生じやすいといった製造上の困難
があるが、これらの困難は、上述のようにコアを分割形
成することによって解消することができる。

【００２８】さらに、一次側と二次側の各磁気コア１，
１が分割形成されていると、一次側コア１と二次側コア
１間の磁気結合が上下左右の多方向から行われるように
なって、一次側と二次側間でのコア１，１の実効的な対
向面積が拡大されるとともに、その実効対向面積が位置
ズレの場合でも維持されるようになる。つまり、コアの
位置ズレによってコア部分が直接対面し合う面積が減少
しても、一次側と二次側の磁気的結合を良好に維持する
ことができる。これにより、非接触伝送カプラを、その
性能を確保しつつ軽量化させることができるとともに、
非接触伝送カプラの一次側と二次側の位置合わせにさら
に余裕幅を持たせて、その使い勝手を一層向上させるこ
とができる。

【００２９】本発明における円盤状磁気コア１，１に
は、上述のように、複数のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃを
隙間ｇを置きながら全体として円盤状の外郭をなすよう
に形成したコアも含まれる。

【００３０】以上、本発明をその実施例に基づいて説明
したが、本発明は上記以外にも種々の実施形態が可能で
ある。また、本発明は、電力伝送用のカプラ以外に、信
号伝送用のカプラとしても利用可能である。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、片面にコイル巻線用の環状溝
を有する一対の円盤状磁気コアを、上記環状溝側の面が
向かい合うように対向させることにより、一方のコアの
コイルから他方のコアのコイルへ磁気結合による電力伝
送を行わせるようにした非接触伝送カプラにあって、上
記環状溝の内側に位置する中足部の径と上記環状溝の幅
とをほぼ同寸とする構成により、非接触伝送カプラの一
次側と二次側間のコア位置合わせに余裕幅を持たせて使
い勝手を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による非接触伝送カプラの一実施例を示
す図である。

【図２】コアの位置ズレに対する磁気結合係数の変化状
態を示す特性図である。

【図３】位置ズレが生じたときの磁気結合状態を示す図
である。

【図４】本発明による非接触伝送カプラの別の実施例を
示す図である。

【図５】従来の非接触伝送カプラの構成例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１磁気コア（本発明）１’ 磁気コア（従来）１Ａ，１Ｂ，１Ｃ分割コア部材１１中足部１２環状溝１２’ 部分環状溝１３外足部Ｌ１一次コイルＬ２二次コイル３面取り部ａ中足径ｂ環状溝幅Ｄコア外径Ｂ磁路ｇコア部材間の隙間ｈ位置ズレ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北岡幹雄東京都港区新橋５丁目36番11号エフ・ディー・ケイ株式会社内 (72)発明者山田克夫東京都港区新橋５丁目36番11号エフ・ディー・ケイ株式会社内 (72)発明者坂本浩熊本県熊本市坪井６丁目388番３号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】片面にコイル巻線用の環状溝を有する一
対の円盤状磁気コアを、上記環状溝側の面が向かい合う
ように対向させることにより、一方のコアのコイルから
他方のコアのコイルへ磁気結合による電力伝送を行わせ
るようにした非接触伝送カプラであって、上記環状溝の
内側に位置する中足部の径と上記環状溝の幅とをほぼ同
寸にしたことを特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項２】請求項１の発明において、前記環状溝の
幅と前記中足部の径との差が±２０％以内であることを
特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項３】請求項１または２の発明において、前記
中足部が形成する磁極面積と、前記環状溝の外側に位置
する環状の外足部が形成する磁極面積とが、ほぼ同じに
なるようにしたことを特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項４】請求項３の発明において、前記中足部が
形成する磁極面積と前記外足部が形成する磁極面積との
差が±２０％以内であることを特徴とする非接触伝送カ
プラ。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかの発明におい
て、前記磁気コアが円盤状の一体型磁気コアであること
を特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項６】請求項１〜４のいずれかの発明におい
て、前記磁気コアが複数の分割コアにより、全体として
円盤状の外郭をなすように形成されていることを特徴と
する非接触伝送カプラ。
【請求項７】請求項１〜４または６の発明において、
前記磁気コアが複数の分割コアにより、全体として円盤
状の外郭をなすように形成されるとともに、各分割コア
の間に扇状の隙間が置かれていることを特徴とする非接
触伝送カプラ。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかの発明におい
て、前記磁気コアがフェライト磁性材で形成されている
ことを特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかの発明におい
て、前記磁気コアの非対向側コーナ部が面取り形成され
ていることを特徴とする非接触伝送カプラ。