JP2011050127A - 非接触給電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】非接触給電装置の受電部を小型軽量化する。
【解決手段】1次側コイルが巻回された平板状の1次側コアと、2次側コイルが巻回された平板状の2次側コアとを有し、1次側コア及び2次側コアの板面が対向して1次側コイルから2次側コイルへの非接触給電が行われる非接触給電装置であって、H形コア40の二つの磁極部41、42の間の細幅被コイル部43にコイル50を巻回する。1次側コアと2次側コアとの間の空間磁束分布は、磁極部41、42の形状で決まり、コイル50の起磁力は(コイル電流の大きさ)×(巻数)で決まる。そのため、磁極部41の形状及びコイル50の巻数を変えなければ、被コイル部43の幅を細幅にしてもしなくても、コイル50の起磁力は変わらない。一方、コイル長は、短くなり、コイル50の抵抗が減少し、コイル50が軽量化できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電する非接触給電装置に関し、装置の小型軽量化とコスト低減を図るものである。
非接触給電装置は、一次コイルと二次コイルとの間の電磁誘導を利用して一次コイルから二次コイルに電力を供給する。この非接触給電装置は、電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載された二次電池を充電するための給電装置として、利用の拡大が見込まれている。
図9は、非接触給電装置を用いたプラグインハイブリッド車の給電システムを示している。
エンジン107とともにモータ106を駆動源として搭載する車両100は、モータ106用の電源である二次電池104と、二次電池104の直流を交流に変換してモータ106に供給するインバータ105と、二次電池104の充電回路103と、非接触給電装置の二次コイル102とを備えており、二次コイル102は、車体の床面の外側に設置される。
一方、給電ステーション側(地上側)は、商用周波数の交流電源200と、この交流を直流に変換し、さらに高周波交流を生成するインバータ201と、非接触給電装置の1次コイル202とを備えており、1次コイル202は地上に設置される。
運転者は、二次コイル102が一次コイル202の真上に来るように車両100を停止させて、二次電池104への給電を開始する。
この非接触給電装置の主な課題は、一次コイル202と二次コイル102との位置ずれに対する対策と、車両に搭載する装置の小型軽量化、コスト低減である。
非接触給電装置では、一次コイル202に対して二次コイル102の位置がずれたり、コイル間のギャップが拡がったりすると、受電効率が低下する。そのため、従来の非接触給電装置を用いる車両給電システムの多くは、車両の停止位置を機械的に規制して、一次コイル202と二次コイル102との位置ずれやギャップ長変化の範囲を厳しく制限している。
しかし、車両を決められた位置に正確に止めることは困難であり、それを強いるシステムは、一般人が利用し難い。そのため、今後は、利便性の面から、一次コイル202と二次コイル102との位置ずれが生じても所要の給電が可能なシステムが主流になると考えられる。
こうした観点から、種々の形状の一次コイル、二次コイルが開発されている。
図10は、下記特許文献1に開示されたコイルの断面形状(a)及び平面形状(b)を概略的に示している。この装置の1次側(給電部)は、フラットなフェライト円板から成る磁心コア21と、磁心コア21の片面に渦巻き状に巻回された1次コイル22とを備えている。2次側(受電部)も給電部と同一形状であり、給電部の1次コイル22と受電部の2次コイル32とが、ギャップgを介して対向する。点線Dは磁束線を示している。
また、図11には、本発明の発明者等が開発した給電部及び受電部を示している。
この装置の給電部は、一次側フェライトコア61の周りに一次側コイル62を巻回して構成され、受電部は、二次側フェライトコア63の周りに二次側コイル64を巻回して構成されている。また、一次側コイル62と二次側コイル64とが対向する側の反対側には、それぞれ、外部への磁界の漏洩を防止するアルミ板65、66を設けている。点線67は磁束線を表している。
このように、フェライトコアの周りにコイルを巻回する“両側巻方式”は、図10のようにフェライトコアの片面にコイルを配置する“片側巻方式”に比べて、給電部及び受電部の水平方向の位置ずれや、垂直方向のギャップ長変動に対して許容量が大きいことを、本発明の発明者等は確かめている(下記非特許文献1)。
そのため、給電部及び受電部の位置ずれやギャップ長変動があっても所要の給電が可能な非接触給電装置は、両側巻方式で給電部及び受電部を形成した方が小型化できる。
特開2008−87733号公報
岩田卓也, 江原夏樹, 金子裕良, 阿部茂, 保田富夫, 井田和彦 :「電気自動車用非接触給電装置のトランス巻線方式による特性比較」電気学会半導体電力変換研究会資料、Vol.SPC-09, No.21-42, Page109-114 (2009.01.24)
車両の給電に用いる非接触給電装置の普及を図るには、車両に搭載する装置の一層の小型軽量化およびコスト低減が重要である。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、両側巻方式で形成する受電部の更なる小型軽量化、コスト低減を可能にする非接触給電装置を提供することを目的としている。
本発明の非接触給電装置は、1次側コイルが巻回された平板状の1次側コアと、2次側コイルが巻回された平板状の2次側コアとを有し、前記1次側コア及び2次側コアの板面が空間を隔てて対向する状態で前記1次側コイルから前記2次側コイルへの非接触給電が行われる非接触給電装置であって、前記1次側コア及び2次側コアは、それぞれ、前記1次側コイルまたは2次側コイルが巻回された被コイル部と、1次側コイルまたは2次側コイルが巻回されていない平板の両側の端部から前記被コイル部の各端部に至る二つの磁極部とを有し、前記2次側コアは、前記被コイル部として、2次側コイルの巻線方向の長さが磁極部の同方向の長さよりも短い細幅被コイル部を有することを特徴とする。
1次側コアと2次側コアとの間の空間磁束分布は、磁極部の形状で決まり、コイルの起磁力は、(コイル電流の大きさ)×(巻数)で決まる。そのため、磁極部の形状及びコイルの巻数を変えなければ、被コイル部の幅を細幅にしてもしなくても、コイルの起磁力は変わらない。一方、コイル長(即ち、巻線の全長)は、(巻線の巻回箇所における被コイル部の外周の長さ)×(巻数)であるため、被コイル部の幅を細幅にするとコイル長が短くなり、コイルの抵抗が減少し、また、コイルの重量が低下して、受電部が軽くなる。
また、本発明の非接触給電装置では、前記1次側コアの被コイル部を、前記2次側コアと同様に、前記1次側コイルの巻線方向の長さが前記磁極部の同方向の長さよりも短い細幅被コイル部とすることが望ましい。
こうすることで、給電部の小型軽量化、コスト低減が可能になる。
また、本発明の非接触給電装置では、前記細幅被コイル部の平均厚さを、前記磁極部の平均厚さよりも厚くすることが望ましい。
細幅被コイル部を厚くすることにより、細幅被コイル部での磁束密度の飽和が回避できる。
また、本発明の非接触給電装置では、前記細幅被コイル部と前記二つの磁極部とが、前記細幅被コイル部の中心を通り、前記二つの磁極部に垂直に交わる対称軸に対して線対称なH字形状を構成する。
このH形コアでは、磁束密度分布が対称軸に対して対称になる。
また、本発明の非接触給電装置は、前記一次側コアを、移動体に給電を行う給電ステーションに設置し、前記二次側コアを、給電ステーションから給電を受ける移動体に設置することができる。
移動体に搭載する受電部が軽量化され、この受電部と給電ステーションの給電部との位置ずれが許容される給電システムを構築することができる。
本発明により、非接触給電装置の移動体側に搭載する受電部の小型軽量化及びコスト低減を図ることができる。
本発明の実施形態に係るH形コアを示す図 対向する給電部と受電部を示す図 本発明の他の実施形態に係るH形コアを示す図 比較例の矩形状コアを示す図 本発明のH形コアと比較例の矩形状コアの磁界密度分布を示す図 磁界密度分布解析に用いた1/2モデルの形状を示す図 1/2モデルの磁界密度分布を示す図 1/2モデルの磁束線を示す図 プラグインハイブリッド車の給電システムを示す図 片側巻の給電部及び受電部を示す図 両側巻の給電部及び受電部を示す図
図1は、本発明の実施形態に係る非接触給電装置の受電部を示している。
この受電部は、図1(a)に示すように、H形のコア40と、このコアに巻回されたコイル50とを有している。(a−2)は、平面図(a−1)のA−A’位置での断面図、(a−3)は、平面図(a−1)のB−B’位置での断面図を示している。
図1(b)は、コイル50を除いたH形コア40の形状を示している。(b−2)は、平面図(b−1)のA−A’位置での断面図、(b−3)は、平面図(b−1)のB−B’位置での断面図である。
コイル50が巻回されるコア部分43を“被コイル部”と呼び、H形コア40では、この被コイル部43のA−A’方向(即ち、コイル50の巻線方向)の長さが、コイル50が巻回されていないコア部分41、42の同方向の長さに比べて短いため、“細幅被コイル部”43と呼ぶことにする。
H形コア40において、コイル50が巻回されていないコア部分41、42(即ち、H形コア40の上下の端部から細幅被コイル部43の端部に至るまでの部分)は、給電部からの磁束が進入し、または出て行く磁極部となる。
この非接触給電装置の給電部は、受電部と同一形状を有しており、図2に示すように、給電部1と受電部2との面が空間を隔てて対向した状態で、給電部1から受電部2への非接触給電が行われる。なお、符号3は主磁束を示している。磁束は、磁極部41、42の一方からH形コア40に進入し、コイル50が巻回された細幅被コイル部43では、コアの中を通り、他方の磁極部から出て行く。
図4には、比較のため、矩形状コア70にコイル52を巻回した受電部(a)と、コイル52を除いた矩形状コア70の形状(b)とを示している。(a−2)は、受電部の平面図(a−1)のA−A’位置での断面図、(a−3)は、B−B’位置での断面図を示している。また、(b−2)は、矩形状コア70の断面図を示している。この矩形状コア70の被コイル部を符号73で、磁極部を符号71、72で示している。
このH形コア40及び矩形状コア70において、A−A’と直角方向(図の上下方向)の長さ、細幅被コイル部43と被コイル部73の上下方向の長さ、及び、磁極部41、42と磁極部71、72の形状は全て同じであり、H形コア40の細幅被コイル部43のA−A’方向における長さと、矩形状コア70の被コイル部73の同方向における長さだけが違っている。
また、H形コア40の細幅被コイル部43に巻回されたコイル50の巻回数と、矩形状コア70の被コイル部73に巻回されたコイル52の巻回数も同じである。
これに対し、コイルのコイル長(巻線の全長)は、H形コア40に巻回されるコイル50と、矩形状コア70に巻回されるコイル52とで違っている。コイル50のコイル長は、図1(b−2)に示す断面の外周と巻回数とを掛け合せた長さとなる。一方、コイル52のコイル長は、図4(b−2)に示す断面の外周と巻回数とを掛け合せた長さであり、これは、H形コア40に巻回されるコイル50のコイル長よりも長くなる。
そのため、H形コア40に巻回するコイル50の電気抵抗は、矩形状コア70に巻回するコイル52の電気抵抗よりも低く、また、コイル50の重量は、コイル52の重量よりも軽くなる。
また、図2において、給電部1及び受電部2間の空間磁束分布は、給電部1及び受電部2の磁極部の形状により決まる。H形コア40の磁極部41、42は、矩形状コア70の磁極部71、72と同一形状であるため、H形コア40を用いる場合と矩形状コア70を用いる場合とで空間磁束分布に大きな差は生じない。
また、コイルの起磁力は、(コイル電流の大きさ)×(巻数)で決まるため、巻数が同一のコイル50とコイル52との起磁力は変わらない。
起磁力が同じであれば、非接触給電の給電能力は、給電部1と受電部2との相対位置だけで決まり、給電部1及び受電部2をH形コア40で形成しても、矩形状コア70で形成しても、給電能力は変わらない。
従って、H形コア40を用いて給電部1及び受電部2(または受電部2だけ)を形成することにより、矩形状コア70の給電能力や位置ずれ特性を損なわずに、軽くて小型な非接触給電装置を構成することができる。
また、H形コア40の使用により、コイル50の電気抵抗が低減するため、給電効率が向上する。
図5は、磁界解析装置を用いて、2次側の矩形状コア(a)及びH形コア(b)の磁束密度分布を解析した結果について示している。この解析は、図6に示す1/2モデルを使って実施している。1/2モデルの磁束密度分布は、図7に示しており、図5は、これを矩形状及びH形状に合成したものである。図7において、矩形状コア(a)の最大磁束密度分布は、cの領域に現われており、0.16Tであった。一方、H形コア(b)では、Aの部分が最大で0.33T、次いで、Bの領域が0.25Tであった。
また、図8には、1次側及び2次側の1/2モデル間の磁束線を表示している。
これらの解析結果が示すように、H形コア(b)では、矩形状コア(a)に比べて、磁束密度が高く、磁極部の先端まで磁束が到達している。これは、磁極部からの磁束の出入りが効率的に行われていることを示している。
磁束が通過する細幅被コイル部43では、矩形状コアに比べて断面積が小さいため、磁束密度の上昇が見られるが、磁気飽和が生じなければ問題ない。
また、磁気飽和が懸念される場合は、図3に示すように、H形コア40の細幅被コイル部43の平均厚み(図3(a−2)に示すA−A’位置でのH形コア40の厚み)を磁極部41、42の平均厚み(図3(a−3)に示すB−B’位置での厚み)より厚くすることで解決できる。
このように、この非接触給電装置は、給電部及び受電部の位置ずれに対する許容度が大きく、受信部の小型軽量化、コスト低減が可能である。
そのため、この非接触給電装置を移動体の給電ステーションに使用して、移動体に搭載する受電部を軽量化し、この受電部と給電ステーションの給電部との位置ずれを許容する給電システムを構築することができる。
なお、H形コアは、受電部だけに使用しても良い。
また、H形コアは、細幅被コイル部及び磁極部が、細幅被コイル部の中心を通り、二つの磁極部に垂直に交わる対称軸に対して線対称なH字を形成することが望ましい。しかし、その形が多少ずれても問題ない。
本発明は、非接触給電装置の給電部及び受電部の小型軽量化を可能にするものであり、電気自動車、プラグインハイブリッド車、工場内搬送車、移動ロボット、電車など、各種移動体への非接触給電に広く利用することができる。
1 給電部
2 受電部
3 主磁束
21 磁心コア
22 1次コイル
32 2次コイル
40 H形コア
41 磁極部
42 磁極部
43 細幅被コイル部
50 コイル
52 コイル
61 一次側フェライトコア
62 一次側コイル
63 二次側フェライトコア
64 二次側コイル
65 アルミ板
66 アルミ板
67 磁束線
70 矩形状コア
71 磁極部
72 磁極部
73 被コイル部
100 車両
102 二次コイル
103 充電回路
104 二次電池
105 インバータ
106 モータ
107 エンジン
200 交流電源
201 インバータ
202 1次コイル

Claims (5)

  1. 1次側コイルが巻回された平板状の1次側コアと、2次側コイルが巻回された平板状の2次側コアとを有し、前記1次側コア及び2次側コアの板面が空間を隔てて対向する状態で前記1次側コイルから前記2次側コイルへの非接触給電が行われる非接触給電装置であって、
    前記1次側コア及び2次側コアが、それぞれ、前記1次側コイルまたは2次側コイルが巻回された被コイル部と、前記1次側コイルまたは2次側コイルが巻回されていない平板の両側の端部から前記被コイル部の各端部に至る二つの磁極部とを有し、
    前記2次側コアが、前記被コイル部として、前記2次側コイルの巻線方向の長さが前記磁極部の同方向の長さよりも短い細幅被コイル部を有することを特徴とする非接触給電装置。
  2. 1次側コイルが巻回された平板状の1次側コアと、2次側コイルが巻回された平板状の2次側コアとを有し、前記1次側コア及び2次側コアの板面が空間を隔てて対向する状態で前記1次側コイルから前記2次側コイルへの非接触給電が行われる非接触給電装置であって、
    前記1次側コア及び2次側コアが、それぞれ、前記1次側コイルまたは2次側コイルが巻回された被コイル部と、前記1次側コイルまたは2次側コイルが巻回されていない平板の両側の端部から前記被コイル部の各端部に至る二つの磁極部とを有し、
    前記1次側コアが、前記被コイル部として、前記1次側コイルの巻線方向の長さが前記磁極部の同方向の長さよりも短い細幅被コイル部を有することを特徴とする非接触給電装置。
  3. 請求項1または2に記載の非接触給電装置であって、前記細幅被コイル部の平均厚さが、前記磁極部の平均厚さよりも厚いことを特徴とする非接触給電装置。
  4. 請求項1から3のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記細幅被コイル部と前記二つの磁極部とが、前記細幅被コイル部の中心を通り、前記二つの磁極部に垂直に交わる対称軸に対して線対称なH字形状を構成していることを特徴とする非接触給電装置。
  5. 請求項1から4のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記一次側コアが、移動体に給電を行う給電ステーションに設置され、前記二次側コアが、前記給電ステーションから給電を受ける前記移動体に設置されることを特徴とする非接触給電装置。
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