JP2011100819A

JP2011100819A - 磁気結合器

Info

Publication number: JP2011100819A
Application number: JP2009253876A
Authority: JP
Inventors: Akio Toba; 章夫鳥羽
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-19

Abstract

【課題】コアやコイルの異常過熱や電力伝送効率の低下を伴わずに、磁気結合器の薄型化、小型軽量化を可能にする。
【解決手段】一次側ユニットと二次側ユニットとが非磁性体を介して対向配置され、かつ磁気的に結合可能である磁気結合器において、前記両ユニット１００，２００は、平編線からなるコイル１０３，２０３をそれぞれ備えると共に相対的に移動可能であり、コイル１０３，２０３が巻回されるコア１０１，２０１を備え、これらのコア１０１，２０１の材料として、いわゆる圧粉コアやダスト材を用いる。また、一次側ユニットを固定すると共に、一次側ユニットを構成するコイルの一部に一対の導体からなる往復導体を備え、二次側ユニットを、前記往復導体の長手方向に沿って移動可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気結合を利用して、主に空間を介してエネルギーを伝送する磁気結合器に関し、例えば非接触給電装置に用いられる磁気結合器に関するものである。

磁気結合を利用して電極同士の接触部を介さずに電力を伝送する方法として、非接触給電装置が知られている。その原理は、複数のコイルを磁気的に結合することによっていわばトランスを形成し、当該コイル間の電力授受を可能とするものである。

非接触給電装置の利点としては、磁気結合による電力伝送部を絶縁体で覆うことにより電極の露出をなくすことができるため、安全性が極めて高いこと、また、電力伝送部に水などが存在しても、感電、漏電の危険性が少ないこと等が挙げられる。
この種の非接触給電装置では、コイルを流れる電流の周波数は数〜数１０ｋＨｚとなるのが一般的である。この周波数の下限は、主に磁気結合器の大きさによって決まる。すなわち、周波数が低いほど、トランスの原理に従って電力伝送に必要な励磁インダクタンスを大きくしなくてはならないため、コアやコイルの大型化を招くことによる。

一方、周波数の上限は、磁気結合器の一次側、二次側に接続される電力変換器の制約、及び磁気結合器の損失によって主に決まる。つまり、周波数が高いほど、変換器においてはスイッチング損失が増大し、また、使用部品も周波数特性の高いものを使わなくてはならないため、装置の大型化やコストの上昇を招く。また、磁気結合器についても、損失、すなわちコイルにおける高周波銅損やコアにおけるコアロス（鉄損）が周波数に対して単調増加するため、周波数の上昇に伴って過熱や効率低下が問題となる。

ここで、図８は、特許文献１に記載された非接触給電装置を示しており、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図８（ｃ）は同じくＣ−Ｃ断面図である。
この非接触給電装置の主な構成要素は、給電部１１を構成する一次コイル１４ａ及び一次コア１３ａ、受電部１２を構成する二次コイル１４ｂ及び二次コア１３ｂである。なお、１５は一次コア１３ａ及び二次コア１３ｂを構成する板状ブロック、ｇは給電部１１と受電部１２との間の空隙を示す。
この従来技術では、一次コア１３ａ及び二次コア１３ｂの材質、つまり板状ブロック１５の材質として、強磁性体のフェライトまたは珪素鋼板（積層鋼板）が例示されている。

特開２００８−１２０２３９号公報（段落［００１８］，［００３３］〜［００４０］、図３〜図６等）

前記従来技術のように、コアの材料として使用されるフェライトや珪素鋼板には、それぞれ次のような問題がある。
（１）フェライト
飽和磁束密度が最大でも０．５Ｔ程度と低いため、磁気飽和し易い。磁気飽和しない領域で使用する場合には、磁束の総量を高められないため、伝送可能なエネルギーが低くなる。この問題を緩和するためにはフェライトの使用量を増やす必要があり、結果的に磁気結合器の重量や体格の増大を招く。
（２）珪素鋼板
飽和磁束密度は１．６Ｔ程度となるため、伝送可能なエネルギーはフェライトに比べて各段に高くなる。しかし、非接触給電装置の磁気結合器が比較的広い空隙（数ｍｍ〜数ｃｍ）を保有している場合、空隙を貫いて一次、二次のコア間を渡る磁束の磁路が、空間的に一次、二次の対向面方向に膨らむ、いわゆるフリンジング現象により、珪素鋼板の板面を貫く磁束が発生する。これにより、珪素鋼板における渦電流損が顕著に増大するため、珪素鋼板の異常過熱や電力伝送効率の低下を招く。

また、コイルに関しても、通常用いられているような円形断面の導線、またはこれに含まれるリッツ線を用いると、コイル断面における導線の占積率を高めることに限界があるので、磁気結合器の薄型化や小型軽量化、高効率化の妨げになる。

そこで、本発明の解決課題は、コアやコイルの異常過熱や電力伝送効率の低下を伴わずに、薄型化及び小型軽量化を可能にした磁気結合器を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、一次側ユニットと二次側ユニットとが非磁性体を介して対向配置され、かつ磁気的に結合可能である磁気結合器において、
前記両ユニットは、コイルをそれぞれ備えると共に相対的に移動可能であり、
前記両ユニットのうち少なくとも一方のユニットは、前記コイルが巻回されるコアを備え、前記コアの材料として、鉄系の粉と絶縁物との混合物を用いるものである。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記両ユニットのうち少なくとも一方のユニットは、多数の素線を編んで加圧することにより扁平の断面が得られる平編線により構成されたコイルを有するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記両ユニットのうち少なくとも一方のユニットが、扁平のコイル及びコアを備え、全体的に扁平に形成されるものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項において、前記一次側ユニットが固定されていると共に、前記一次側ユニットを構成するコイルの一部に一対の導体からなる往復導体を有しており、前記二次側ユニットを、前記往復導体の長手方向に沿って移動可能としたものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項において、前記コアを、鉄系の粉が互いに絶縁物を介して加圧固定された圧粉コアにより形成したものである。

本発明によれば、鉄系の粉と絶縁物との混合物からなるコア、例えば圧粉コアを用いることにより、透磁率、飽和磁束密度等の磁気特性を向上させ、磁気飽和を避けるためのコア断面積の増大を抑制してコアの扁平化に寄与することができる。また、コイルの素線として平編線を使用すれば、コイルの扁平化も可能であり、これら両者があいまって磁気結合器の薄型化、小型軽量化が可能になる。

本発明の第１実施形態及び比較例における二次側ユニットの説明図であり、図１（ａ），図１（ｃ）は図１（ｂ）のＸ−Ｘ断面図、図１（ｂ）は平面図である。本発明の第１実施形態における磁路の説明図である。珪素鋼板、フェライト及び圧粉コアのＢ−Ｈ特性図である。図４（ａ）はリッツ線の断面図、図４（ｂ）は平編線の断面図である。図５（ａ）はリッツ線コイルの断面図、図５（ｂ）は平編線コイルの断面図である。本発明の第２実施形態を示す説明図であり、図６（ａ）は図６（ｂ）のＹ−Ｙ断面図、図６（ｂ）は平面図である。本発明の第３実施形態を示す断面図である。特許文献１に記載された非接触給電装置の説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る非接触給電装置用の磁気結合器の二次側ユニット２００を示しており、図１（ａ），（ｃ）は図１（ｂ）のＸ−Ｘ断面図、図１（ｂ）は平面図である。なお、図１（ｃ）については後述する。

図１（ａ），（ｂ）の二次側ユニット２００において、２０１は板状のコアであり、このコア２０１の一面には、コイル２０３が収容される２つの溝部２０２が設けられている。コア２０１の材料は、鉄系の粉と絶縁物との混合物であり、いわゆる圧粉材料やダスト材が用いられている。以下では、コア２０１を圧粉材料により形成した場合（このコアを圧粉コアという）につき説明する。
溝部２０２に収容されるコイル２０３は、平面から見てほぼ楕円形（レーストラック形）であり、コイル２０３が発生する磁束の磁路にコア２０１が存在する配置となっている。

上記のように構成された二次側ユニット２００を、図２に示すように、非磁性体としての空隙３０２を介して一次側ユニット１００に対向して配置することにより、本実施形態に係る磁気結合器３００が形成される。なお、一次側ユニット１００の構造は、二次側ユニット２００と同一である。
図２において、１０１は一次側ユニット１００のコア、１０３は同じくコイル、１０４，２０４は各ユニット１００，２００のヨーク部、３０１は磁路を示す。

ここで、コア１０１，２０１としての圧粉コアは、数１０〜数１００μｍの鉄系の粉を絶縁物で覆った状態で、プレス機等により加圧して固めることにより形成された磁性体コアである。このようなコア内部の構造によって渦電流損を抑制できるため、数１０ｋＨｚまで低いコアロスで動作させることができる。この種の圧粉コアの素材については多くの公知文献があり、例えば、特開２００６−２３３３２５号公報に係る「Ｍｇ含有酸化膜被覆鉄粉末」がある。

コア１０１，２０１を圧粉コアとした場合の利点は、次の通りである。
（１）圧粉材料はフェライトに比べて飽和磁束密度が高いため、磁路の断面積を減らし、コアの体積を減らすことができる。すなわち、図１（ａ）に示した圧粉コアは、図１（ｃ）に示すフェライトコア２０１Ａよりも体積を減らすことができるため、コアの平面積を同一にした場合、両コアの厚さの関係はｄ＜ｄ’となり、ユニットの薄型化、つまり磁気結合器の薄型化（図２に示す断面積の減少）、小型軽量化が可能になる。
（２）圧粉コアでは、珪素鋼板のように特定方向（積層鋼板の場合には板面を貫く方向）に磁束が通った場合に発生損失が顕著に増大するという現象がないため、損失を低減することができる。

前記（１）の利点について、更に補足説明する。
図３は、珪素鋼板、フェライト及び圧粉コアの直流磁気特性、いわゆるＢ（磁束密度）−Ｈ（磁界強度）特性を示している。珪素鋼板は、Ｈに対するＢの増加率（透磁率）が、Ｈが低い領域で大きく、磁束密度が１．５Ｔ程度で磁気飽和する。一方、フェライトは、珪素鋼板と同様に低Ｈ領域の透磁率が高いものの、磁束密度が０．５Ｔ程度で磁気飽和してしまう。
従って、コアの材料としてフェライトを用いる場合には、コアの磁束密度を０．５Ｔ程度以下にすることが制約条件となる。よって、磁気結合器により一次−二次間で伝送すべき電力の増大に伴い、発生磁束が増加する際に、磁気飽和を避けるためには磁路の断面積を大きくする必要がある。なお、フェライトの材料としては、動作周波数が１０ｋＨｚ前後となることから、ＭｎＺｎ（マンガン・亜鉛）系を採用するのが一般的である。

他方、圧粉コアは、低Ｈ領域の透磁率は低いものの、Ｈを増大させてもフェライトや珪素鋼板に対して高Ｈ領域まで磁気飽和せず、またその磁気飽和レベルは珪素鋼板と同程度となることが知られている。従って、圧粉コアの磁束密度のレベルを、珪素鋼板と同程度まで高めることができる。
なお、上述したように、圧粉コアの低Ｈ領域の透磁率は珪素鋼板やフェライトに比べて低い。しかし、比透磁率として数１００程度は有することから、空気の透磁率に対しては十分大きい。従って、磁気結合器の一次側ユニットと二次側ユニットとの間に空隙が存在する場合には、コイルのインダクタンスはほぼ磁路における空隙の長さと断面積によって決まり、コアの透磁率による影響は小さい。このことは、広く実用されているギャップ（空隙）付きリアクトルの場合と同様である。

また、磁気結合器における一次側ユニットと二次側ユニットとの磁気結合の強さは、定量的に相互インダクタンスにより表され、この相互インダクタンスが大きいほど効率よく電力伝送を行うことができる。なお、相互インダクタンスはコアが磁気飽和すると大幅に低下する。
従って、圧粉コアを用いて磁気結合器を構成すれば、磁気飽和しない状態ではフェライトと同等の相互インダクタンス（すなわち電力伝送効率）を実現でき、かつ、磁気飽和を回避するために必要な磁路の断面積をフェライトの場合よりも大幅に減少させることができる。

ここで、圧粉コアのフェライトコアに対するコア体積と質量の低減度を概算すると、表１のようになる。圧粉コアの飽和磁束密度の大きさにより、フェライトコアに対してコア体積は３３％に、また、比重を考慮するとコア質量は５３％にそれぞれ低減されており、大きな効果があることが分かる。

なお、磁気結合器の主要な構成要素としては、上述したコアの他にコイルがある。このコイルについては、従来からリッツ線を用いることが多く、このことは、例えば前記特許文献１にも開示されている。
図４（ａ）に示すように、リッツ線Ｗ１は、細い素線（材料は主に銅）Ｗを多数編み込み、全体が略円形断面になるように形成される。これにより、周知のように、通常の単線（主に１本の銅線により構成）や拠り線（細い素線を多数、単純に束ねて拠り合わせたもの）に比べ、高周波通流時に電流が表面だけでなく導線全体に高い均一性で流れるようになるため、導線における損失、発熱を抑制することができる。
その一方で、リッツ線Ｗ１は硬いため曲げ加工等が難しいことや、円形断面であるために巻き重ねた場合に銅の占積率が高められないという問題がある。

これに対して、例えば特開２００８−３０６０６５号公報「エッジワイズコイル」に記載された「平編線」という導線が知られている。
この平編線は、リッツ線と同様に編み込んだ素線が平たい断面となるように形成されている。あるいは、図４（ｂ）に示すごとく、中空円筒状に素線Ｗを編み込んでこれを両側から加圧することにより素線Ｗを潰し、全体として扁平な断面を持つ平編線Ｗ２が形成される。

本実施形態では、上述した平編線Ｗ２を用いてコイルを構成することが望ましい。
図５（ａ）は多数のリッツ線Ｗ１を用いて構成したリッツ線コイル２０５ａまたは２０５ｂの断面図、図５（ｂ）は多数の平編線Ｗ２を用いて構成した平編線コイル２０６の断面図である。
これらの図から明らかなように、平編線コイル２０６ではリッツ線コイル２０５ａまたは２０５ｂに比べて導線の占積率を大幅に改善することができ、定量的には、円形断面に対おける導線の占積率が、理論上、平編線コイルではリッツ線コイルの約４／π倍になる。これは、正方形と内接円との面積差に該当する（平編線の端部の影響は無視する）。また、平編線Ｗ２はリッツ線Ｗ１に対して素線が柔らかいという特徴もあるため、コイル、ひいては磁気結合器を製造する際の作業性が良くなるという利点もある。

上述した圧粉コア及び平編線を用いた磁気結合器によれば、特に磁気結合器を薄型化したい場合に顕著な作用効果をもたらす。
すなわち、一次側ユニットと二次側ユニットとの対向面に直交する方向に磁気結合器を薄型化するためには、コア及びコイルを当該方向に薄くする必要があるが、本実施形態によればその達成が可能である。

このように非接触給電装置用の磁気結合器を薄型化する要求は、自動車、電車、リニアモーターカー、路面電車など、移動体の底部と地上との間で非接触給電を行う場合に、特に高い。すなわち、移動体の車高は、走行・旋回時の挙動の安定性等の運動力学、乗り降りのし易さ等の利便性、移動体全体の機器収納等の要因によって制限されるため、底部に非接触給電装置の磁気結合器を配置する場合には極力薄い方が有利となる。勿論、磁気結合器を車体の側部や天井部に配置する場合にも、薄型化の利点は同様に大きい。

なお、非接触給電装置によって移動体への給電を行う場合には、移動体の移動経路に沿って一次側ユニットを配置し、この一次側ユニットに対向するように二次側ユニットを配置すれば、移動体の移動中にも給電を行うことが可能となる。
図６はこのような配置構成に適した本発明の第２実施形態を示しており、図６（ａ）は図６（ｂ）のＹ−Ｙ断面図、図６（ｂ）は平面図である。

これらの図において、二次側ユニット２００は第１実施形態と同様の構成であり、図示されていない移動体側に配置される。
また、一次側ユニット１００Ｂは、コイル２０３の直線部に対向するように配置されて一次側コイルを構成する往復導体１０６を備えている。この往復導体１０６はほぼ平行に配置された２本の導体からなり、図６（ａ）における紙面を貫く方向に高周波電流が通流される。
このような構成により、一次側ユニット１００Ｂの往復導体１０６の長手方向の一部において二次側ユニット２００が対向する部分では、両ユニット１００Ｂ，２００のコイル間の磁気結合によって電力の授受（給電）が行われるため、移動体への給電を好適かつ容易に行うことができる。

なお、一次側ユニットは、例えば軌道が定まっている鉄道やリニアモーターカーについては軌道に沿って地上面等に配置すればよく、また、自動車道路のように複数の車線がある場合には、１車線を給電可能な車線としてその車線上に一次側ユニットを配置することも可能である。
また、一次側ユニットを移動体の軌道に沿って部分的に配置すると共に、移動体に電池、キャパシタ、リアクトル等のエネルギー蓄積要素を搭載しておけば、移動体側の二次側ユニットが一次側ユニットに対向して非接触給電が可能な場所において給電された電力量（エネルギー）の一部または全部を前記エネルギー蓄積要素に蓄え、二次側ユニットが一次側ユニットに対向しない場所では、前記蓄えられたエネルギーを利用して必要な電力量を賄う、という構成も可能である。

前述したように本発明の各実施形態では、コアの材料として、圧粉材料やダスト材のように鉄系の粉と絶縁物との混合物を用いることができる。この種の材料が有効である理由は、透磁率及び飽和磁束密度が高く、しかもコアの材料がバルクとして三次元方向の磁束の変化に対応できるためである。
つまり、珪素鋼板（積層鋼板）は透磁率も飽和磁束密度も高いが、原則として鋼板の板面を貫く磁束の変化は前述のように避けるべきであるため、三次元方向の磁束の変化への対応は困難である。一方、フェライトは三次元方向の磁束の変化に対応できるが、飽和磁束密度が低い。
鉄系の粉と絶縁物の混合物としては、現在のところいわゆる圧粉コアが、透磁率、飽和磁束密度、三次元方向の磁束変化への対応性を総合的に評価した場合に最も適合度が高いため、本発明の磁気結合器に使用するコアとして最適である。

次に、図７は本発明の第３実施形態を示す断面図である。
図７において、二次側ユニット２００Ｃのコア２０７はほぼＥ形であり、コア２０７の中心突起部２０８にコイル２０９が巻回されている。この二次側ユニット２００Ｃは移動体側に配置される。
一方、一次側ユニット１００Ｃは、図６と同様に一次側コイルとしての往復導体１０６を備えており、この往復導体１０６は、コア２０７の中心突起部２０８の両側にコイル２０９を介して配置される。
なお、一次側ユニット１００Ｃの形状は図示例に何ら限定されるものではなく、このことは、前述した図６における一次側ユニット１００Ｂに関しても同様である。

上記構成により、二次側ユニット２００Ｃは一次側ユニット１００Ｃの往復導体１０６に沿って移動可能となり、ユニット１００Ｃ，２００Ｃ（コイル１０６，２０９）間の磁気結合によって電力の授受が行われ、移動体への給電が可能になる。
この第３実施形態でも、コア２０７に圧粉コアを用い、コイル２０９に平編線コイルを用いることにより、第１，第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

１００，１００Ｂ，１００Ｃ：一次側ユニット
１０１，２０１，２０１Ａ，２０７：コア
１０３，２０３，２０９：コイル
１０４，２０４：ヨーク部
１０６：往復導体
２００，２００Ｃ：二次側ユニット
２０２：溝部
２０５ａ，２０５ｂ：リッツ線コイル
２０６：平編線コイル
２０８：中央突起部
３００：磁気結合器
３０１：磁路
３０２：空隙
Ｗ：素線
Ｗ１：リッツ線
Ｗ２：平編線

Claims

一次側ユニットと二次側ユニットとが非磁性体を介して対向配置され、かつ磁気的に結合可能である磁気結合器において、
前記両ユニットは、コイルをそれぞれ備えると共に相対的に移動可能であり、
前記両ユニットのうち少なくとも一方のユニットは、前記コイルが巻回されるコアを備え、
前記コアの材料として、鉄系の粉と絶縁物との混合物を用いることを特徴とする磁気結合器。
請求項１に記載した磁気結合器において、
前記両ユニットのうち少なくとも一方のユニットは、多数の素線を編んで加圧することにより扁平の断面が得られる平編線により構成されたコイルを有することを特徴とする磁気結合器。
請求項１または２に記載した磁気結合器において、
前記両ユニットのうち少なくとも一方のユニットが、扁平のコイル及びコアを備え、全体的に扁平に形成されることを特徴とする磁気結合器。
請求項１〜３の何れか１項に記載した磁気結合器において、
前記一次側ユニットが固定されていると共に、前記一次側ユニットを構成するコイルの一部に一対の導体からなる往復導体を有しており、
前記二次側ユニットを、前記往復導体の長手方向に沿って移動可能としたことを特徴とする磁気結合器。
請求項１〜４の何れか１項に記載した磁気結合器において、
前記コアを、鉄系の粉が互いに絶縁物を介して加圧固定された圧粉コアにより形成したことを特徴とする磁気結合器。