JP2010239853A

JP2010239853A - 電気自動車用無接触充電器

Info

Publication number: JP2010239853A
Application number: JP2009251720A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Sekiya; 哲夫関谷; Kiyoji Narita; 喜代次成田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】磁気結合を利用する電気自動車用無接触充電器において、２次コイルを軽量に保った上で磁気結合効率を向上させて、電力損失を低く抑え、充電所要時間を短縮する。
【解決手段】充電対象の電気自動車外に配置されて、交流電源に接続された１次コイル24と、電気自動車の車載蓄電池52に接続して前記１次コイル24に対向配置され、該１次コイル24が交流電流により励磁されたとき誘導起電力を発生する２次コイル34とを有してなる電気自動車用無接触充電器において、１次コイル24と２次コイル34との間に磁性流体26を介在させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車が搭載している蓄電池（バッテリ）に外部から充電するための充電器に関し、特に詳細には、電気自動車側と外部との間に金属接触部を介在させない無接触充電器に関するものである。

近時、車載蓄電池から供給される電力によってモータを回転させ、その動力で走行する電気自動車が注目されている。この種の電気自動車を使用するに当たっては、搭載している蓄電池に、例えば100Ｖ・50/60Ｈｚの商用電源等を利用して外部から充電することが必要になる。従来、そのような充電の方式の一つとして、壁などに設けたＡＣ→ＤＣ充電器の出力端末用電気コンセントに自動車側の差し込みプラグを接続させて蓄電池に給電する、いわゆるPlug in方式の充電法が簡単で使いやすいものとして知られている。

しかし、上記コンセントとプラグとの間で電気的接続を果たす金属接触部は一般に多点（概して３点）接触とされるものの、１つの接触点の接触面積が極めて小さいため、接触部の電流密度が大きくなって発熱しやすくなる。安全上の観点からこのような発熱を避けようとすれば、充電電流を低く設定せざるを得ないので、この方式では短時間での充電は難しくなる。例えば、現在実用されているものでは、充電電流を15Ａとしてフル充電までに６時間程度を要することも多く、それでは急病時に電気自動車が用をなさない、といった不都合を招く可能性がある。またＤＣ電圧は、100Ｖ〜300Ｖ程度とまだ高圧に設定されているので、この方式は安全性の点で懸念が残っている。

上記Plug in方式以外の充電方式として、例えば特許文献１に記載されているように、磁気結合を利用する無接触充電方式も知られている。この充電方式は基本的に、充電対象の電気自動車外に配置されて交流電源に接続された１次コイルと、電気自動車の車載蓄電池に接続している２次コイルとを近接対向配置させ、電源から１次コイルに交流電流を供給して励磁させ、それにより２次コイルに誘導された起電力によって蓄電池を充電するものである。

この方式による無接触充電器は、電気自動車と外部の電源側との間に、前述したコンセントやプラグ等の金属接触部を持たないので、安全で、容易に取扱いできるという利点が有る。

特開平１０−３２２９２１号公報

しかし、磁気結合を利用する従来の無接触充電器には、磁気結合効率が低いことから、電力損失が大きい、充電所要時間が長いといった問題が認められる。磁気結合効率を高めるためには、両コイルの巻回数を多くするのが効果的であるが、女性や老人なども含む一般の人が家庭用電源等から簡単に充電可能とするには、可搬側のコイルを取扱い容易な軽いものとする必要があるので、可搬側のコイルの巻回数（ターン数）を多くして対応するのは現実的でない。

そこで本発明は、磁気結合を利用する電気自動車用無接触充電器において、可搬側のコイルを軽量に保った上で磁気結合効率を向上させて、電力損失を低く抑え、そして充電所要時間を短縮することを目的とする。

本発明による電気自動車用無接触充電器は、
充電対象の電気自動車外に配置されて、交流電源に接続される１次コイルと、
電気自動車の車載蓄電池に接続して前記１次コイルに対向配置され、該１次コイルが交流電流により励磁されたとき誘導起電力を発生する２次コイルとを有してなる電気自動車用無接触充電器において、
前記１次コイルと２次コイルとの間に磁性流体が介在していることを特徴とするものである。

なお上記構成を有する本発明の電気自動車用無接触充電器において、磁性流体は１次コイル側に保持されていることが望ましい。

また上記磁性流体は、密閉容器に収容された状態で１次コイルと２次コイルとの間に配置されてもよい。

あるいは上記磁性流体は、１次コイルを中に沈めた状態にして該１次コイルの上に貯留され、この磁性流体の表面が可撓性フィルムによって覆われた構成とし、２次コイルを保持した部分が充電時に、上記可撓性フィルムを介して磁性流体に対向配置されるようになっていてもよい。そのようにする場合は、例えば上方が開いた容器の中に１次コイルを配設し、その１次コイルを沈めた状態にして磁性流体を該容器内に貯留させ、その上に可撓性フィルムを配置すればよい。

他方、１次コイルを保持して据置き状態とされる部分と、２次コイルを保持した車載側部分とは、充電に際して両コイルが所定の相対位置関係で対向する状態が簡単に得られるようにするのが望ましい。そのためには、例えばそれら両部分の一方、他方にそれぞれ凹部、凸部を設けておき、それらを互いに係合させることにより、該両部分を所定の相対位置関係に設定すればよい。

また本発明の電気自動車用無接触充電器が特に家屋の車庫内等に設置される場合、交流電源と自動車とを繋ぐ接続用の電力ケーブルは、一般に使用頻度が高いことから、収納性が良い可搬型のものとされるのが望ましい。そして特に家庭内では、例えば300Ｖ近い交流または直流電圧での電力伝送に、安全面で十分な対策が求められる。このような電力ケーブルを用いる場合、100Ｖ以下、より好ましくは30Ｖ前後の低電圧方式の接続とするのが望ましい。

また上述の場合は、交流電源装置内で電力出力端が降圧トランスを経て電力ケーブルに接続され、その電力ケーブルの一端が１次コイルに接続され、該１次コイルが車載側の２次コイルと磁気結合して昇圧トランスを構成するようにしてもよい。それにより、充電のために頻繁に取り扱われる部分が軽量で安全な無接触充電器が実現される。なお、その場合、上記１次コイルは電力ケーブルの一端を巻回して構成されてもよいし、さらには、上記電力ケーブルの他端（降圧トランス側の端部）を巻回して、それにより降圧トランスの一部を構成してもよい。

本発明の電気自動車用無接触充電器は、１次コイルと２次コイルとの間に磁性流体が介在する構成とされたことにより、両コイル間の磁気結合効率が高いものとなる。すなわち、１次コイルと２次コイルとの間に大きな空隙長が有っても、漏洩磁束面に磁性流体が集中して集まって、それが補助的な交流磁路材を形成して磁気結合を補うからである。上述の大きな空隙長は、充電操作時に磁気結合部分が粗雑に取り扱われることによって、また、１次コイルと２次コイルとの間の位置決め精度やその結合面の表面精度が比較的低いことによって、さらには磁気的な表面加工変質層が存在することによって生じ得るものであるが、このように大きな空隙長が存在しても両コイル間の磁気結合効率が高く確保されるのであれば、充電操作時の磁気結合部分の取扱いが簡単になり、また両コイル間の位置決め構造として比較的簡単なものを採用可能になるので、充電器のコストダウンも実現される。

上述の通り本発明による電気自動車用無接触充電器は、１次コイルと２次コイルとの間の空隙漏洩磁束を抑えて磁気結合効率が高く確保されるので、電力損失を低く抑え、そして充電所要時間の短縮化を実現できるものとなる。

そして、このように磁性流体の作用によって磁気結合効率を高く確保して、２次コイルとして巻回数が例えば１０回以下程度、さらに好ましくは１〜３回程度と非常に少なくて軽量のものを適用可能となる。そこで本発明による電気自動車用無接触充電器は、充電時に取り扱われる車載側つまり２次コイル側の構造を軽量化して、操作性が良好なものとすることができる。なお本方式の場合は、自動車に昇圧トランスが備えられるか、あるいは直列化された蓄電池の構成が直並列化に組み替えられる。

なお本発明の電気自動車用無接触充電器において、磁性流体が非可搬側のコイル（１次コイルあるいは２次コイル）に保持されている場合は、充電時に電気自動車から取り外したり元に戻したりする操作がなされる可搬側のコイルが、磁性流体保持のために大型、重量化することが避けられるので、操作性を良好に保つことができて好ましい。

また本発明の電気自動車用無接触充電器において、特に先に述べたように、交流電源装置内で電力出力端が降圧トランスを経て電力ケーブルに接続され、その電力ケーブルの一端が１次コイルに接続され、該１次コイルが車載側の２次コイルと磁気結合して昇圧トランスを構成している場合は、電力ケーブルにおける送電電圧を例えば10〜30Ｖ程度と低く設定できるので、充電操作時の安全性が向上する。

本発明の第１の実施形態による電気自動車用無接触充電器の要部を示す一部破断側面図上記電気自動車用無接触充電器の一部を示す平断面図上記電気自動車用無接触充電器の全体構成を示す斜視図図１に示した部分の使用時の状態を示す一部破断側面図本発明の第２の実施形態による電気自動車用無接触充電器の要部を示す一部破断側面図本発明の第３の実施形態による電気自動車用無接触充電器の要部を示す一部破断側面図図６の電気自動車用無接触充電器の充電時の状態を示す一部破断側面図本発明の第４の実施形態による電気自動車用無接触充電器を示す概略構成図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態による電気自動車用無接触充電器の要部を示す一部破断側面図であり、図２はその要部の一部を示す平面図である。また図３はこの電気自動車用無接触充電器の全体構成を示すものである。

まず図３に示されるようにこの電気自動車用無接触充電器は、例えば家庭などに据え置かれる充電スタンド１内に配置された据置体10と、電気自動車５に搭載される可搬電力受端器（以下、可搬体という）30と、充電スタンド１内に設置されて電源コード11およびプラグ12を介して100Ｖ・50/60Ｈｚ等の商用交流電源に接続されるインバータ13とを有している。

上記可搬体30は、常時は電気自動車５のボディ側部に設けられた収納部６に収納され、充電時にはそこから取り出されるようになっている。この可搬体30は全体として概略薄い円筒状に形成され、中央部には充電操作者が操作時に握って取り扱うためのハンドル31が設けられている。また電気自動車５には充電回路51およびそれに接続された蓄電池（バッテリ）52が搭載され、上記可搬体30はコード53を介して充電回路51に接続されている。

一方スタンド１には、上記据置体10に加えて、充電開始を指令する充電開始スイッチ14や、充電の状態等を表示するための表示手段15等が設けられている。なお、このようなスタンド１を設置する代わりに、家庭用住宅の壁等に据置体10を配設しておいてもよい。

次に図１および図２を参照して、上記据置体10および可搬体30について詳しく説明する。なお図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った部分の断面形状を概略的に示すものである。据置体10は有底円筒状の本体22と、その中に等角度ピッチでつまり９０°間隔で配置された一例として４個のヨーク23と、このヨーク23に各々巻回された１次コイル24とを有している。これらの１次コイル24は各々巻回数が１００以上とされたもので、互いに電気的に接続された上で前記インバータ13に接続されている。

そして本体22の上には、全体的に概略薄い円盤状とされて、ほぼ半径に亘る部分が断面Ｈ状の空間を画成する形状とされた密閉容器25が一体化されている。上記断面Ｈ状の空間は一周して、全体としてほぼ円環状の空間を構成している。つまりこの空間は、４個の１次コイル24すべての上方を通過するように連続して延びる状態となっている。この密閉容器25は例えば板厚１．５ｍｍの強化プラスチックを用いて形成され、上記円環状の空間を構成している部分の上端面から下端面までの厚さ（これは後述するように１次コイルと２次コイルとの間の空隙長となる）は、一例として５ｍｍとされている。そしてこの密閉容器25の内部空間には、磁性流体26が封入されている。なおこの磁性流体26としては、ZOL液体の形態を取るものも適用可能である。

他方、可搬体30も、概略薄い有底円筒状とされた本体32と、その中に等角度ピッチでつまり９０°間隔で配置された４個のヨーク33と、このヨーク33に各々巻回された２次コイル34とを有している。これらの２次コイル34は互いに電気的に接続され、その上で前記充電回路51に接続されている。なお２次コイル34の巻回数は好ましくは１０回以下程度、さらに好ましくは１〜３回程度とされ、そのために可搬体30は例えば外径１６０ｍｍ×全厚１５ｍｍ程度で、重量が１ｋｇ程度と、十分小型軽量に形成され得るものとなっている。

より詳しく説明すると、据置体10の各１次コイル24が作り出す磁束を最大限にまとめて可搬体30の２次コイル34と結合させるために、それぞれに面対向部分が開磁路となっているヨーク23、33内に各コイル24、34が収められている。

可搬体30の中央部分には、円形の凹部30ａが形成されている。その一方密閉容器25の中央部分には、上記凹部30ａに緊密に嵌合する外径とされた円柱状部分25ａが形成されている。したがって可搬体30は、図１の状態から下方に押し込むことにより、その凹部30ａが上記円柱状部分25ａに嵌合して、図４のように据置体10と同心状態に組み合った状態となり、特に両者を離す操作がなされない限りその状態が維持される。

また密閉容器25は周縁に環状の縦壁部を有する形状とされており、可搬体30は外周部がこの縦壁部に緊密に嵌合することによっても、据置体10と同心状態になるように位置規定される。

なお、可搬体30と据置体10とを上述のように組み合わせる際には、前者の４つの２次コイル34が後者の４つの１次コイル24と各々整合して対向する状態にする。そうするためには、例えば可搬体30と据置体10の一方に係合凸部を、他方に係合凹部を設けておき、それらが互いに係合する状態にして可搬体30を据置体10に組み合わせればよい。そのような位置決め機構としては、その他の公知の機構を適宜採用することも可能である。

以下、上記構成を有する本実施形態の電気自動車用無接触充電器の作用について説明する。図３に示す電気自動車５の蓄電池52に充電する際には、充電スタンド１の近くに停められた電気自動車５から充電操作者によって可搬体30が取り出され、その可搬体30が図４に示すように据置体10に組み合わされる。このとき可搬体30と据置体10とが互いに同心状態に位置決めされ、２次コイル34と１次コイル24とが各々整合して対向する状態になることは、先に説明した通りである。この状態下では、１次コイル24と２次コイル34との間に磁性流体26が介在することになる。

その後、充電操作者によって充電スタンド１の充電開始スイッチ14がＯＮにされると、インバータ13を介して据置体10の各１次コイル24に例えば周波数が２００Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度の単相交流電流が供給され、該１次コイル24が励磁される。それにより、１次コイル24と向き合っている各２次コイル34に誘導起電力が発生し、その起電力によって車載蓄電池52が充電される。こうして本実施形態では、１次コイル24と２次コイル34との間に金属接触部を介在させない無接触充電が可能になる。

なお本実施形態の電気自動車用無接触充電器は、１次コイル24と２次コイル34の各巻回数が前述の通りとされて、降圧型トランス結合方式のものとなっている。

本実施形態の電気自動車用無接触充電器においては、充電時に１次コイル24と２次コイル34との間に磁性流体26が介在するので、両コイル間の磁気結合効率が高いものとなる。すなわち、１次コイル24と２次コイル34との間に大きな空隙長が有っても、漏洩磁束面に磁性流体26が集中して集まって、それが空気よりも透磁率の高い補助的な交流磁路材を形成して磁気結合を補うからである。なお本実施形態において、上記空隙長は両コイル24、34間に存在する密閉容器25によって規定され、本例の場合は前述の通り５ｍｍである。また、磁性流体26のヒステリシス損は極小である。

上記の比較的大きな空隙長は、充電操作時の可搬体30の粗雑な取扱いや、両コイル24、34間の位置決め精度が比較的低いことによって生じ得るものであるが、このように大きな空隙長が存在しても両コイル24、34間の磁気結合効率が高く確保されるのであれば、充電操作時の可搬体30の取扱いが簡単になり、また両コイル24、34間の位置決め構造として比較的簡単なものを採用可能になるので充電器のコストダウンも実現される。

なお上記空隙長については、誰でもが、何度も充電操作できるように、大きな空隙長で疎の磁気結合とするのが望ましい。すなわち、厳密な狭い空隙長での磁気結合は効率の点からは望ましいが、安易な操作を可能とする上では適さないものである。

以上のように１次コイル24と２次コイル34との間の磁気結合効率が高く確保されれば、電力損失を低く抑え、そして充電所要時間を短縮する効果が得られる。

本実施形態では、このように磁性流体26の作用によって磁気結合効率を高く確保できるので、２次コイル34として巻回数が前述のように１０回以下程度、さらに好ましくは２，３回程度と非常に少なくて軽量のものを適用可能となっている。そこで本実施形態の電気自動車用無接触充電器は、充電時に取り扱われる可搬体30が前述のように重量が１ｋｇ程度まで軽量化されるので、女性や老人などでも簡単に操作可能で、車載収納性にも優れたものとなっている。

本実施形態の電気自動車用無接触充電器では、磁性流体26を収容した密閉容器25が１次コイル24側に保持されているので、充電時に電気自動車５から取り外したり元に戻したりする操作がなされる可搬体30が磁性流体保持のために大型、重量化することが避けられ、よってこの点からも操作性および車載収納性が良好なものとなる。

なお１次コイル24および２次コイル34は、高効率の電力伝送を実現するために、低圧大電流型の構成とすることが望ましい。その場合は、比較的低電圧の交流電流を充電回路51等において所望の直流高電圧に変換した上で蓄電池52を充電すればよい。

また本実施形態では、各々４個の１次コイル24および２次コイル34を分極配置してなるソレノイド-ヨーク型構造が採用されているが、１巻きコイルからなるリング-ヨーク型構造を採用することもできる。また充電する際の駆動周波数については、磁気結合部での有効電力授受が効果的となる抵抗性整合を行うのが望ましい。

さらに本発明の電気自動車用無接触充電器においては、可搬体30の両面に２次コイル群を配置する一方、それらの各々に面対向するように据置体10に１次コイル群を配置してもよい。

また充電完了後には、磁路材内の磁性流体26や各ヨーク23、33に残留磁気（着磁）が残らないように減衰正弦波電流処理を行うのが望ましい。

また磁性流体26を飽和させるためには、溶媒中に浮遊する粒径が数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度の磁性粒子の粒径や濃度を調整する。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。図５は本発明の第２の実施形態による電気自動車用無接触充電器の要部を示す一部破断側面図である。なおこの図５において、図１〜４中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。図示の通りこの充電器も、充電スタンド内等に配置される据置体60と、電気自動車に搭載される可搬電力受端器（可搬体）70とから構成されている。

据置体60の本体62は例えば合成樹脂を用いて比較的浅い有底円筒形に形成され、その中にはヨーク63、１次コイル64が配設され、またそれらを浸漬する状態にして磁性流体26も貯えられている。なお１次コイル64は１つの円環状に形成されている。つまり図５においては、この円環の中心を含む面に沿って破断した状態で１次コイル64が示されている。ヨーク63の上面には、上記形状の１次コイル64の内側に位置する環状の嵌合溝63ａと、１次コイル64の外側に位置する同じく環状の嵌合溝63ｂとが形成されている。

そして本体62の中心部には、後述するボルト76が螺合されるネジ穴62ａが穿設されている。また本体62の周側面には蝶番67が固定されており、この蝶番67には、本体62の上部開口を開閉する蓋68が取り付けられている。なお本体62は上述の通り磁性流体26を貯留しているので、それが流出しないように該本体62は水平状態に配置される。また１次コイル64とインバータ13とを接続するコード69は、ヨーク63および本体62の周壁にそれぞれ形成された孔を通して本体外に引き出されている。

上記１次コイル64は例えばLitz（リッツ）線を用いて構成され、その巻回数（ターン数）は１００以上とされ、またその抵抗は１Ω程度とされている。コード69も一例として太いLitz線から構成されている。磁性流体26は、水または絶縁性油を溶媒とするものであり、本体62内でその液位が所定位置よりも下がった場合は、蓄電池52に純水を供給するのと同様にして、溶媒が追加供給される。

一方可搬体70は、中心部の保持体72と、そこに保持されたヨーク73と、２次コイル74と、保持体72に形成された貫通孔72ａに挿通されたボルト76と、このボルト76の末端に取り付けられたノブ77と、ヨーク73の上面に取り付けられたハンドル78とから構成されている。ヨーク73の下面には、上記嵌合溝63ａ、63ｂにそれぞれ対応する形状とされた環状の突部73ａ、73ｂが形成されている。

２次コイル74は例えばLitz線を用いて構成され、据置体60側の１次コイル64と対応する円環状とされている。また、この２次コイル74はその巻回数を数回程度として全体的に薄く形成され、それにより可搬体70の軽量化が図られている。ヨーク73は鉄損が少なくて飽和磁束密度Ｂｓの高い巻鉄芯とされている。これは、据置体60側のヨーク63も同様である。ハンドル78はヨーク73の中心から外れた位置に配設され、それにより、このハンドル78に邪魔されることなくノブ77を回転操作することが可能になっている。

２次コイル74と車載の充電回路51とを接続するコード79も、前記コード69と同様に例えば太いLitz線から構成され、ヨーク73に形成された貫通孔を通して可搬体72の外に引き出されている。

なお、充電スタンド１（図３参照）等の中に配置されて、100Ｖ・50/60Ｈｚ等の商用交流電源に接続されるインバータ13は、例えば３辺の長さが概略１００ｍｍ程度のサイズとされる。また、そこから１次コイル64に供給される電流の周波数は、抵抗性周波数領域内で比較的高い周波数、すなわち２００〜１０００Ｈｚ程度とされる。以上は、前述した第１の実施形態においても同様である。

本実施形態の無接触充電器を使用する際には、据置体60に対して、可搬体70が一部磁性流体26中に浸漬する状態にして組み付けられる。このとき、前述したようにヨーク73の下面に形成されている環状の突部73ａ、73ｂがそれぞれ、ヨーク63上面の嵌合溝63ａ、63ｂと嵌合するように位置合わせがなされ、その状態でノブ77を回転操作してボルト76が据置体本体62のネジ穴62ａに螺合され、それにより据置体60に可搬体70が組み付けられる。

なお嵌合溝63ａと突部73ａは、上述のように嵌合したとき互いの間に例えば１ｍｍ程度の隙間が生じて、その隙間に磁性流体26が入り込むような寸法に形成されている。これは嵌合溝63ｂと突部73ｂについても同様である。

この状態になると、共に環状とされている１次コイル64と２次コイル74とが整合するので、インバータ13から１次コイル64に電流が供給されると、２次コイル74に無接触で送電がなされ、充電回路51を介して蓄電池52が充電されるようになる。この無接触充電の原理は、先に第１の実施形態において説明した通りである。また、１次コイル64と２次コイル74との間に磁性流体26が介在することにより、第１の実施形態において１次コイル24と２次コイル34との間に磁性流体26を介在させて得られたのと同様の効果が得られる。

そして、１次コイル64と２次コイル74との間に磁性流体26が介在することにより、それら両者間の磁気結合効率が高く確保されるので、両コイル64、74がさほど高い位置決め精度で整合していなくても、短時間での充電が可能になる。つまり本例の場合、両コイル64、74を位置決めする嵌合溝63ａと突部73ａ、そして嵌合溝63ｂと突部73ａとを比較的緩く嵌合させるだけでよいので、据置体60に対して可搬体70を組み合わせる作業は簡単なものとなる。また、上述のように緩い嵌合で済むのであれば、嵌合溝63ａ、63ｂおよび突部73ａ、73ｂの寸法精度が比較的低くても問題がなく、その点から無接触充電器の製造コストを低く抑える効果も得られる。

なお本実施形態においては前述した通り、嵌合溝63ａと突部73ａとの間、そして嵌合溝63ｂと突部73ａとの間の隙間に磁性流体26が流入する。この隙間は空気だけが存在するのであれば透磁率μ＝１であるが、磁性流体26が存在することによりこの部分の透磁率μは１００〜１０００程度まで増大する。この状態下では、両コイル64、74の間から周辺に漏洩する磁束が、上記隙間に存在する磁性流体26の作用でヨーク63、73に導かれて、磁気結合効率がより高くなる。こうして本実施形態では、嵌合溝63ａと突部73ａ、そして嵌合溝63ｂと突部73ａとが比較的緩く嵌合していて、両コイル64、74が多少位置ズレを起こしていても、磁気結合効率が高く確保されるようになる。

ここで、ヨーク63、73の境界面・断面においては、ヨーク63、73の内部で磁束が集中する結果、磁気飽和することがある。交流磁気波では、その磁束の波の尖頭部分が特にヨーク63、73の角等において重なることから、顕著に磁気飽和が認められる。このように磁気飽和した部分では透磁率μが１近くになるので、磁気漏洩が拡大する。しかし、そのように磁気飽和した部分に、漏洩磁束に引かれて磁性流体26が集まれば磁気飽和が解消されて、この部分の透磁率が元の値に戻る。以上のことは、計算機によるシミュレーションで確認することができる。

なお、ヨーク63、73が例えば鉄から形成される場合、嵌合溝63ａ、63ｂおよび突部73ａ、73ｂの表面には、一般に１μｍを下回る程度の高さの凹凸が生じる。磁性流体26は、このような状態になっている嵌合溝表面および突部表面の細かい凹部にも入り込むようになる。

充電が終了すると、ノブ77が回転操作されてボルト76がネジ穴62ａから外され、可搬体70が据置体60から取り外されて、図示外の自動車の所定部分に格納される。

以上述べた通り本実施形態では、充電操作時に、可搬体70の一部であるヨーク73の下部および２次コイル74が磁性流体26中に浸漬する状態になる。そこで充電が完了した後は、磁性流体26中に浸漬した部分を、例えば充電スタンドに備え付けておくドライヤー等で乾燥させるようにするのが望ましい。

次に本発明の第３の実施形態について説明する。図６および図７は、本発明の第３の実施形態による電気自動車用無接触充電器の要部を示す一部破断側面図であり、それぞれ充電作業外の状態、充電作業中の状態を示している。なおこれらの図において、１次コイル64に接続する部分および２次コイル74に接続する部分、並びに図５に示したハンドル78は省略してあるが、それらは基本的に図５に示したものを適用すればよい。

図示の通りこの充電器も、充電スタンド内等に配置される据置体80と、電気自動車に搭載される可搬電力受端器（可搬体）90とから構成されている。本実施形態の充電器が図５のものと基本的に異なる点は、据置体80の本体82内に貯えられている磁性流体26が本体外に流出することを防止する構造が採用されている点である。すなわち、例えば合成樹脂を用いて比較的浅い有底円筒形に形成された本体82には、磁性流体26の表面を覆う状態にして、概略円環状の可撓性フィルムである薄いメンブレン83が配設されている。

上記メンブレン83の外周縁部は、本体82の外周壁に沿って摺動可能とされた環状の固定部材84に固定され、その内周縁部は小さな円筒状の固定部材85に固定されている。そして本体82の中心部には円柱状の穴82ａが形成され、その中に上下方向に移動可能にして円筒状部材86が収められ、この円筒状部材86の上端近傍の外周面に上記固定部材85が固定されている。なお円筒状部材86の内側と外側は、その外周面と穴82ａの内周面との間の小さな隙間を通して連通している。

この充電器を用いて車載の蓄電池（図５等参照）を充電する際には、図７に示すように、据置体80に対して可搬体90が組み付けられる。このとき、ヨーク73の下面に形成されている環状の突部73ａ、73ｂがそれぞれ、ヨーク63上面の嵌合溝63ａ、63ｂと嵌合するように位置合わせがなされるのは、図５の構成におけるとの同じである。ただしこの場合は、ヨーク63とヨーク73との間、および１次コイル64と２次コイル74との間にメンブレン83が介在することになる。この可撓性のメンブレン83は、突部73ａ、73ｂおよび嵌合溝63ａ、63ｂの形状に沿って弾性変形可能である。

以上の状態で充電を行う場合も、ヨーク63とヨーク73との間、および１次コイル64と２次コイル74との間に磁性流体26が存在することにより、図５に示した実施形態におけるのと同様の効果を得ることができる。

なお、一例としてゴム膜等からなるメンブレン83は、張力が与えられて、シワが生じない状態に維持しておくことが必要である。そのために本実施形態においては、メンブレン83を保持する構造として、上述した通りのものを採用している。つまりこの構造において、メンブレン83の外周縁部を固定して、本体82の外周壁に沿って摺動可能とされた固定部材84は重りとして作用し、該メンブレン83に常時張力を与える。

そして図７に示すように据置体80に対して可搬体90が組み付けられて、メンブレン83が可搬体90により下方に押圧されると、固定部材84は本体82の外周壁に沿って上方に摺動し、メンブレン83の動きを許容する。またこのとき、中央部の円筒状部材86および固定部材85も、可搬体90の中央部に形成された貫通孔90ａの中で上下動可能であるので、下方に押圧されたメンブレン83とともに下方に移動する。

次に本発明の第４の実施形態について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態による電気自動車用無接触充電器を示す概略図である。本実施形態の電気自動車用無接触充電器においては、100Ｖ・50/60Ｈｚ等の商用交流電源に接続される２相以上のインバータ13から、自動車搭載の充電回路51に電力を送るために、自動車外に配置された可撓性の電力ケーブル100が用いられている。この電力ケーブル100は例えば１０００本以上のLitz線からなる束を３つ用いて構成され、その一端側は２つに分けられた上で各Litz線が巻回されてコイル100ａを形成し、また他端側も各Litz線が巻回されてコイル100ｂを形成している。

インバータ13にはコイル103が接続され、このコイル103と上記コイル100ｂとでトロイダル型の降圧トランス101が構成されている。一方、蓄電池52に充電するための充電回路51にはコイル104が接続され、このコイル104と上記コイル100ａとで分離型の昇圧トランス102が構成されている。なおこの昇圧トランス102を構成するコイル100ａ、104は各々、本発明における１次コイル、２次コイルとなる。そして該１次コイル100ａと２次コイル104との間には、他の実施形態におけるのと同様に、例えば容器に貯えられた磁性流体26が配設されている。

上述したコイル100ｂおよび100ａはそれぞれ、Ｎ巻（巻回数がＮ）のコイル鎖列から構成されたもので、降圧トランス101側のコイル100ｂの巻回数をＮ１、昇圧トランス102側のコイル100ａの巻回数をＮ２とすると、一例としてＮ２は最少で１（つまり１次コイル全体としての巻回数が２）とされ、Ｎ１はそれよりも多い数で１０未満程度に設定される。

上記構成の電気自動車用無接触充電器によって充電する際、例えば充電スタンド等の中に収められている電力ケーブル100が取り出され、その一端にある１次コイル100ａが、間に磁性流体26を置いて自動車側の２次コイル104と対向するように配置される。この状態でインバータ13から充電回路51に電力が供給されることにより、蓄電池52が無接触充電される。そのとき、１次コイル100ａと２次コイル104との間に磁性流体26が存在することにより、基本的に、既述の実施形態におけるのと同様の効果が得られる。

なお、１次コイル100ａと２次コイル104とを整合状態に対向配置するには、種々の公知の機構を採用することができる。

なお本実施形態では、降圧トランス101の部分でも無接触で送電がなされる。この降圧トランス101が設けられていることにより、上述したように100Ｖ・50/60Ｈｚ等の一般的な商用交流電源を用いながら、充電時に操作される電力ケーブル100における電圧は例えば10Ｖ程度に低く設定できるので、充電操作の安全性が高くなる。他方、前述の通りの昇圧トランス102を設けているので、充電回路51に送る電流の電圧を上記10Ｖ程度よりも高く設定して、急速充電することが可能になる。

電力ケーブル100における電圧は安全性の点から、一般には高くても30Ｖ程度とするのが望ましい。また一例として、蓄電池への入力が300Ｖ／13Ａとされる場合は、降圧トランス101からの出力を10Ｖ／390Ａ程度とし、蓄電池への入力が145Ｖ／12Ａとされる場合は、降圧トランス101からの出力を10Ｖ／180Ａ程度とするのが好ましい。

ここで昇圧トランス102を構成する１次コイル100ａは、上述の通り例えば１巻とされた銅コイル鎖列と、アモルファス軟磁性材あるいは巻鉄芯とから構成される。降圧トランス101を構成する方のコイル100ｂも例えばこのような構成とすることにより、前述したように非接触での送電が可能になる。しかし、降圧トランス101の方は必ずしも非接触送電とする必要はない。また、この降圧トランス101において非接触送電を果たすのであれば、電力ケーブル100を自動車に搭載しておくようにしてもよいが、自動車を軽量化する上では、本実施形態のようにするのがより好ましい。

なお図１および図２に示した実施形態は、据置体10に配置した１次コイル24と、可搬体30に配置した２次コイル34との間で磁気結合を果たすものであるが、従来、可搬体を用いないで１次コイルと２次コイルとの間で磁気結合を果たすようにした電気自動車用無接触充電器も提案されている。すなわち、例えば地上の所定位置に１次コイルを配設する一方、電気自動車車体の底部に２次コイルを配設しておけば、その２次コイルが上記１次コイルの直上に位置するように電気自動車を停止させ、その状態で磁気結合による無接触充電を行うことが可能である。本発明は、そのような形式の無接触充電器にも適用可能である。

つまり、その種の無接触充電器において、１次コイルの上側あるいは２次コイルの下側に、例えば容器に入れた状態の磁性流体を配置しておけば、充電操作時にその磁性流体により、既述の実施形態におけるのと同様の効果を奏することができる。あるいは、２次コイルが１次コイルの直上に位置するように電気自動車を停止させた後、それら両コイルの間の隙間に、図６に示したメンブレン83のような材料からなる水枕状の容器内に磁性流体を満たしたものを差し込むようにしてもよく、そのときも上述の場合と同様の効果を得ることができる。

１充電スタンド
５電気自動車
10、60、70 据置体
11 電源コード
12 プラグ
13 インバータ
23 ヨーク
24、64、100ａ１次コイル
25 密閉容器
26 磁性流体
30、80、90 可搬体
33 ヨーク
34、74、104 ２次コイル
51 充電回路
52 蓄電池
83 メンブレン
100 電力ケーブル
101 降圧トランス
102 昇圧トランス

Claims

充電対象の電気自動車外に配置されて、交流電源に接続される１次コイルと、
電気自動車の車載蓄電池に接続して前記１次コイルに対向配置され、該１次コイルが交流電流により励磁されたとき誘導起電力を発生する２次コイルとを有してなる電気自動車用無接触充電器において、
前記１次コイルと２次コイルとの間に磁性流体が介在していることを特徴とする電気自動車用無接触充電器。
前記磁性流体が１次コイル側に保持されていることを特徴とする請求項１記載の電気自動車用無接触充電器。
前記磁性流体が、密閉容器に収容された状態で１次コイルと２次コイルとの間に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の電気自動車用無接触充電器。
前記磁性流体が、１次コイルを中に沈めた状態にして該１次コイルの上に貯留され、
この磁性流体の表面が可撓性フィルムによって覆われ、
２次コイルを保持した部分が充電時に、前記可撓性フィルムを介して磁性流体に対向配置されるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の電気自動車用無接触充電器。
前記２次コイルの巻回数が１０以下であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の電気自動車用無接触充電器。
前記１次コイルが、前記交流電源に接続された電力ケーブルの一端を巻回して構成されたものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の電気自動車用無接触充電器。
前記１次コイルと前記２次コイルとによって昇圧トランスが構成されていることを特徴とする請求項６記載の電気自動車用無接触充電器。
前記電力ケーブルの他端を巻回して構成されたコイルと、前記交流電源に接続されたコイルとによって降圧トランスが構成されていることを特徴とする請求項７記載の電気自動車用無接触充電器。