JP2011229202A - 無線電力伝送用コイル - Google Patents

Abstract

【課題】伝送距離が長く、高い伝送効率を実現し、位置ずれの影響が低減するため、高いインダクタンスのコイルを、絶縁破壊を生じることなく実現できる無線電力伝送用コイルを提供すること。
【解決手段】撚り線状の導体を巻くことで形成される無線電力伝送用コイルであって、前記撚り線状の導体の途中に短絡素子を複数設け、前記短絡素子同士間に発生する電圧が前記撚り線状の導体の絶縁破壊電圧より低くなるように前記複数の短絡素子を設けた無線電力伝送用コイル。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線による電力伝送用コイルに関するものである。

近年、電気自動車などへのワイヤレス充電装置が開発されている。非接触で高い伝送効率にて大電力を送電できることが求められる。

従来、送電側、受電側にコイルを設け、電磁誘導方式を用いることにより高効率の伝送効率を実現してきた（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。また大電力の伝送には主に１００ｋＨｚ以下の周波数帯が用いられてきており、コイル線には低損失を実現できるリッツ線などの撚り線が用いられてきた

特開２００８−０８７７３３号公報 特開２００８−２８８８８９号公報 特開２００６−３４５５８８号公報

しかしながら上記従来特許文献１、２、３の方法では、伝送距離が非常に短いため送電コイルと受電コイル間の位置ずれが生じると効率が劣化するという課題があり、位置ずれ検出手段を用いた位置合わせが必要であった。伝送距離を伸ばし、位置ずれの影響を改善するためには、送電、受電に使用されるコイルの巻き数やコイル径を大きくし、高いインダクタンスのコイルを用いればよい。しかし、コイルの両端に発生する電圧がインダクタンスに比例して非常に高くなるといった問題がある。コイルに高い電圧がかかると、コイルのターン間にかかる電圧が高くなり絶縁破壊が生じる。また撚り線をコイル線に用いた場合、コイルの途中で単線が一部でも断線すると高い電圧が単線同士に発生し、絶縁破壊が生じる。

本発明は、上記従来の課題に鑑み、伝送距離が長く、高い伝送効率を実現し、位置ずれの影響が低減するため、高いインダクタンスのコイルを、絶縁破壊を生じることなく実現できる無線電力伝送用コイルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の無線電力伝送用コイルは、撚り線状の導体を巻くことで形成される無線電力伝送用コイルであって、前記撚り線状の導体の途中に短絡素子を複数設け、前記短絡素子同士間に発生する電圧が前記撚り線状の導体の絶縁破壊電圧より低くなるように前記複数の短絡素子を設けた無線電力伝送用コイルである。

以上のように、本発明は伝送距離が長く、高い伝送効率を実現し、位置ずれの影響が低減するため、高いインダクタンスのコイルを、絶縁破壊を生じることなく実現できる無線電力伝送用コイルを実現できる。

本発明の実施の形態１における無線電力伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態１におけるスパイラル形状をした送電コイル部２０１の構造を示す図 本発明の実施の形態１におけるヘリカル形状をした送電コイル部２０１の構造を示す図 本発明の実施の形態１におけるスパイラル形状をした７つの送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇを縦に積み重ねて構成した送電コイル部２０１の構造を示す図 本発明の実施の形態１におけるスパイラル形状をした７つの送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇを縦に積み重ねて構成した送電コイル部２０１の内周部分の構造を示す図 本発明の実施の形態１におけるスパイラル形状をした７つの送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇを縦に積み重ねて構成した送電コイル部２０１の断面構造を示す図 本発明の実施の形態１におけるコイル径の異なるヘリカル形状をした７つの送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇを軸方向がほぼ等しくなるように配置して構成した送電コイル部２０１の構造を示す図 本発明の実施の形態１におけるコイル径の異なるヘリカル形状をした７つの送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇを軸方向がほぼ等しくなるように配置して構成した送電コイル部２０１の下部の構造を示す図 本発明の実施の形態１におけるコイル径の異なるヘリカル形状をした７つの送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇを軸方向がほぼ等しくなるように配置して構成した送電コイル部２０１の断面構造を示す図

第１の発明は、撚り線状の導体を巻くことで形成される無線電力伝送用コイルであって、前記撚り線状の導体の途中に短絡素子を複数設け、前記短絡素子同士間に発生する電圧が前記撚り線状の導体の絶縁破壊電圧より低くなるように前記複数の短絡素子を設けた無線電力伝送用コイルである。

この構成により、撚り線状の導体を構成する単線が一部断線した場合においても絶縁破壊を防止できる。

第２の発明は、第１の発明の無線電力伝送用コイルにおいて、前記撚り線状の導体を巻くことで形成される複数のコイルを軸方向がほぼ等しくなるように配置し、前記複数のコイル間には空隙が設けられた無線電力伝送用コイルである。

この構成により、ターン間での絶縁破壊を防止できる。

第３の発明は、第２の発明の無線電力伝送用コイルにおいて、前記複数のコイルを隣り合うコイルの巻き方向が互いに反対となるように配置した無線電力伝送用コイルである。

この構成により、コイル間を短絡素子で接続する際の接続距離を短くすることができる。

以下、本発明の無線電力伝送用コイルを実施するための最良の形態について、図面に沿って説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明の無線電力伝送用コイルの実施の形態１の詳細について説明する。

図１は、本発明の無線電力伝送装置の構成を示す図である。図１において、高周波発振源１０１は高周波電力を生成し、出力する発振源である。送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは短絡素子１０３ａ、１０３ｂにより直列に接続されてひとつの送電コイルである送電コイル部２０１を構成し、その両端が給電端３０１ａ、３０１ｂを介して高周波発振源１０１に接続され、高周波の磁界を発生する。

受電コイル１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは短絡素子１０５ａ、１０５ｂにより直列に接続されてひとつの受電コイルである受電コイル部２０２を構成し、その両端が給電端３０２ａ、３０２ｂを介して負荷１０６に接続され、送電コイル部２０１から発生した高周波の磁界をうけて電力を得る。負荷１０６は、受電コイル部２０２から得られた電力を供給する負荷である。

次に図２から図９を用いてさまざまな送電コイル部２０１の構成例を示す。図２はスパイラル形状をした送電コイル部２０１の構造を示す図である。図３はヘリカル形状をした送電コイル部２０１の構造を示す図である。送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、軸方向がほぼ等しくなるようにして配置され、短絡素子１０３ａ、１０３ｂを介して各々接続される。

図４はスパイラル形状をした７つの送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇを縦に積み重ねて構成した送電コイル部２０１の構造を示す図、図５はその内周部分の構造を示す図、図６はその断面構造を示す図である。送電コイル１０２ａ、１０２ｃ、１０２ｅ、１０２ｇと送電コイル１０２ｂ、１０２ｄ、１０２ｆのコイルの巻き方向は互いに逆方向であり、隣り合う送電コイルの巻き方向が互いに反対となるように構成されている。

送電コイル１０２ａと１０２ｂ、１０２ｃと１０２ｄ、１０２ｅと１０２ｆはコイル外周部分、送電コイル１０２ｂと１０２ｃ、１０２ｄと１０２ｅ、１０２ｆと１０２ｇはコイル内周部分にて短絡素子にて接続される。すわなち、コイル外周部分にて送電コイル１０２ａの一端４Ａ−１と送電コイル１０２ｂの一端４Ｂ−１が短絡素子にて接続され、送電コイル１０２ｃの一端４Ｃ−１と送電コイル１０２ｄの一端４Ｄ−１が短絡素子にて接続され、送電コイル１０２ｅの一端４Ｅ−１と送電コイル１０２ｆの一端４Ｆ−１が短絡素子にて接続される。また、コイル内周部分にて送電コイル１０２ｂの他端４Ｂ−２と送電コイル１０２ｃの他端４Ｃ−２が短絡素子にて接続され、送電コイル１０２ｄの他端４Ｄ−２と送電コイル１０２ｅの他端４Ｅ−２が短絡素子にて接続され、送電コイル１０２ｆの他端４Ｆ−２と送電コイル１０２ｇの他端４Ｇ−２が短絡素子にて接続される。

これにより、コイル間を短絡素子で接続する際の接続距離を短くすることができる。それぞれのコイル間に空隙（図６以降ではＳとして示す）を設けるようにして配置される。

図７はコイル径の異なるヘリカル形状をした７つの送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇを軸方向がほぼ等しくなるように配置して構成した送電コイル部２０１の構造を示す図、図８はその下部の構造を示す図、図９はその断面構造を示す図である。送電コイル１０２ａ、１０２ｃ、１０２ｅ、１０２ｇと送電コイル１０２ｂ、１０２ｄ、１０２ｆのコイルの巻き方向は互いに逆方向であり、隣り合う送電コイルの巻き方向が互いに反対となるように構成されている。送電コイル１０２ａと１０２ｂ、１０２ｃと１０２ｄ、１０２ｅと１０２ｆはコイル下部、送電コイル１０２ｂと１０２ｃ、１０２ｄと１０２ｅ、１０２ｆと１０２ｇはコイル上部にて短絡素子にて接続される。すなわち、コイル下部にて送電コイル１０２ａの一端７Ａ−１と送電コイル１０２ｂの一端７Ｂ−１が短絡素子にて接続され、送電コイル１０２ｃの一端７Ｃ−
１と送電コイル１０２ｄの一端７Ｄ−１が短絡素子にて接続され、送電コイル１０２ｅの一端７Ｅ−１と送電コイル１０２ｆの一端７Ｆ−１が短絡素子にて接続される。また、コイル上部にて送電コイル１０２ｂの他端７Ｂ−２と送電コイル１０２ｃの他端７Ｃ−２が短絡素子にて接続され、送電コイル１０２ｄの他端７Ｄ−２と送電コイル１０２ｅの他端７Ｅ−２が短絡素子にて接続され、送電コイル１０２ｆの他端７Ｆ−２と送電コイル１０２ｇの他端７Ｇ−２が短絡素子にて接続される。

これにより、コイル間を短絡素子で接続する際の接続距離を短くすることができる。それぞれのコイル間に空隙を設けるようにして配置される。

コイル形状が円形形状について記載しているが、方形形状であってもよい。コイルの巻き数や送電コイルの数はいくらであってもよい。空隙には樹脂などの非金属物を挿入してそれぞれのコイル間の距離を維持しつつ、コイルを保持する構成であってもよい。受電コイル部２０２についても送電コイル部２０１と同様の構成である。

以上のように構成された無線電力伝送装置について、その動作を説明する。送電、受電に使用されるコイルのインダクタンスＬは巻き数が大きいほど増加する。無線電力伝送においてインダクタンスＬが大きいほど伝送距離が長くなるが、コイルの両端に発生する電圧Ｖｓはコイルに流れる電流をＩ、角周波数をωとするとき、ω×Ｌ×Ｉとなり、インダクタンスＬに比例して非常に高くなるといった問題がある。

コイルに高い電圧がかかると、コイルのターン間にかかる電圧が高くなり絶縁破壊が生じる。

また複数の単線を束ねることで表皮効果を軽減し、低損失を実現できるリッツ線などの撚り線をコイル線に用いると伝送効率が向上する。しかし、コイルの途中で単線が一部でも断線すると高い電圧が単線同士に発生し、絶縁破壊が生じる。

本発明の無線電力伝送用コイルは複数のコイルを短絡素子を介して直列接続することにより、インダクタンスの大きな一つのコイルを形成する。

コイルの短絡素子間にかかる電圧Ｖｔは短絡素子間のインダクタンスをＬｔとするとき、ω×Ｌｔ×Ｉとなる。コイルの短絡素子間にかかる電圧Ｖｔが撚り線の絶縁破壊電圧Ｖｄより小さくなるように短絡素子間隔を設定する。短絡素子間隔を短くするほど、短絡素子間のインダクタンスＬｔが小さくなり、短絡素子間にかかる電圧Ｖｔが低下する。

撚り線を用いた場合、短絡素子を介して接続されているため、単線が一部断線しても単線同士に発生する最大電圧はＶｔとなる。これは、絶縁破壊電圧Ｖｄより低いため、絶縁破壊を防止できる。つまり、短絡素子は単に複数のコイルを接続するだけでなく、絶縁破壊を防ぐためのものでもある。短絡素子間隔を短くし、ＶｔをＶｄに対して十分低くし、できるだけ多くのインダクタンスの低いコイルを直列接続したほうが絶縁破壊の防止効果が大きい。また複数のコイルからなるコイル構成の適用は送電側、受電側のうちどちらか一方であってもよい。さらに図６、図９に示すコイル構造では、それぞれのコイル間に空隙を設けるようにして配置されるため、ターン間での絶縁破壊を防止できる。

以上により、本発明のコイル構成により絶縁破壊を生じることなくインダクタンスを増加させ、低損失のコイル線を実現できる。よって、伝送距離が長く、高い伝送効率を実現し、位置ずれの影響が低減できる無線電力伝送用コイルを実現できる。

本発明の無線電力伝送用コイルは、伝送距離が長く、高い伝送効率をえることができる。よって、本発明の無線電力伝送用コイルを、例えば、携帯機器、電気自動車などの非接触充電器、誘導加熱装置として適用できる。

１０１ 高周波発振源
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇ 送電コイル
１０３ａ、１０３ｂ 短絡素子
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ 受電コイル
１０５ａ、１０５ｂ 短絡素子
１０６ 負荷
２０１ 送電コイル部
２０２ 受電コイル部

Claims (3)

1. 撚り線状の導体を巻くことで形成される無線電力伝送用コイルであって、
   前記撚り線状の導体の途中に短絡素子を複数設け、
   前記短絡素子同士間に発生する電圧が前記撚り線状の導体の絶縁破壊電圧より低くなるように前記複数の短絡素子を設けた無線電力伝送用コイル。
2. 前記撚り線状の導体を巻くことで形成される複数のコイルを軸方向がほぼ等しくなるように配置し、
   前記複数のコイル間には空隙が設けられた、
   請求項１記載の無線電力伝送用コイル。
3. 前記複数のコイルを隣り合うコイルの巻き方向が互いに反対となるように配置した、
   請求項２記載の無線電力伝送用コイル。