JP2014017399A - 非接触電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 １次側ユニットの１次コイルと２次側ユニットの２次コイル間の結合係数を向上させる。
【解決手段】 １次コア７ａと２次コア７ｂの対向側とは逆側に介在物９ａ，９ｂを配置し、１次コア７ａ及び２次コア７ｂと介在物９ａ，９ｂの周りに１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂを各々巻回する。これにより、１次コイル１１ａ及び２次コイル１１ｂと１次コア７ａ及び２次コア７ｂ間に一定の距離が生じ、１次コイル１１ａ及び２次コイル１１ｂの通電により発生した磁束が１次コア７ａ及び２次コア７ｂに鎖交した後、再び、１次コイル１１ａ及び２次コイル１１ｂ側へ戻る量を減少させ、１次コア７ａと２次コア７ｂに鎖交する磁束量を増加させる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電気機器に電磁誘導作用により非接触で電力を供給する非接触電源装置において、電力供給効率の向上を図る技術に関する。

従来から、分離した１次側ユニットと２次側ユニットを対向配置して結合トランスを形成し、結合トランスの電磁誘導作用によって１次側ユニットから２次側ユニットへ電力を供給する非接触電源装置は知られている。

前記結合トランスは、例えば、コ字形の鉄心（コアという）の脚鉄部にコイルボビンを介して１次コイルを巻回した１次側ユニットと、同様にコ字形のコアの脚鉄部にコイルボビンを介して２次コイルを巻回した２次側ユニットを、両ユニット内のコ字形コアの開放端を対向させて配置して形成したものである（特許文献１参照）。

このような非接触電源装置は、文字通り、非接触で電力の供給が可能であるので、ユニット間の給電用のコードが不要となる等、種々の利点があり、近年、携帯機器や電動工具、或いは、電動車両の充電用に使われる等、その用途は多岐に渡っており、利用範囲も広い。

特開２００１−１１０６５８

このように、電磁誘導作用を利用して１次側ユニットから２次側ユニットへ非接触で電力を供給する非接触電源装置は、２次側ユニットへの電力供給の効率を向上させることが重要であり、電力効率が悪ければ２次側ユニットに接続する負荷の動作不良を招来する可能性がある。

そこで、出願人は、１次側ユニットから２次側ユニットへの電力供給効率を向上させる技術を過去に出願している（特許文献１参照）。この発明は、コ字形に形成して対向配置した１次コアと２次コアの各々の脚間距離を、両コア間のギャップ間距離の２倍以上に設定することにより、脚間の磁気抵抗を両コア間の磁気抵抗と比較して大きくして、１次コアから２次コアへの磁束鎖交率を向上させ、１次コイルと２次コイル間の結合係数を向上させるものである。

本発明は、特許文献１記載の発明と同様、１次コイルと２次コイル間の結合係数を向上させる技術に関し、コアの脚間距離を拡大することなく、これを実現することのできる非接触電源装置を提供するものである。

請求項１記載の非接触電源装置は、対向して配置される一次側ユニットと二次側ユニットによって形成される結合トランスの電磁誘導作用によって一次側ユニットから二次側ユニットへ非接触で電力を供給するものであり、１次側ユニットと２次側ユニットの１次コアと２次コアの脚鉄部の両ユニットが対向する側とは逆側に、脚鉄部の横幅寸法以上の横幅寸法の樹脂等の非金属からなる介在物を配置し、１次コア及び２次コアの脚鉄部と該介在物周りに１次コイルと２次コイルを各々巻き付けて１次側ユニットと２次側ユニットを構成したことを特徴とする。

請求項２記載の非接触電源装置は、対向して配置される一次側ユニットと二次側ユニットによって形成される結合トランスの電磁誘導作用によって一次側ユニットから二次側ユニットへ非接触で電力を供給するものであり、１次側ユニットと２次側ユニットの１次コアと２次コアの脚鉄部の両ユニットが対向する側とは逆側に、脚鉄部の横幅寸法以上の横幅寸法の銅又はアルミニウム等の非磁性体の金属からなる介在物を配置し、１次コア及び２次コアの脚鉄部と該介在物周りに１次コイルと２次コイルを各々巻き付けて１次側ユニットと２次側ユニットを構成したことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、コイルとコア間の距離が離れることにより、コイル周りに発生してコアに鎖交した磁束がコイル側に戻ってくる量を減少させ、以って、コアの磁束鎖交量を増加させることができる。その結果、１次コアから２次コアへ鎖交する磁束量を増加させることができ、１次コイルと２次コイル間の結合係数を向上できる。

請求項２記載の発明によれば、介在物を銅またはアルミニウム等の非磁性体の金属によって構成することにより、介在物に鎖交する磁束量を極力抑制し、コアにより多くの磁束を鎖交させて、１次コイルと２次コイル間の結合係数をより向上させることができる。

本発明の非接触電源装置の使用状態を示す図である。 本発明の非接触電源装置の内部構造の概念図である。 本発明の非接触電源装置のコイル巻回状態を示す縦断面図である。 本発明の非接触電源装置の磁束鎖交状態を示す図である。 本発明の非接触電源装置を構成する１次側ユニットと２次側ユニット間の距離と結合係数の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図５を用いて説明する。図１は本発明の非接触電源装置の使用状態を示すものである。本発明の非接触電源装置Ａは、窓硝子等の非磁性体Ｘを介して対向配置する１次側ユニット１と２次側ユニット２から構成されている。

１次側ユニット１は、電源コード３を介して屋内コンセント等の電源に接続され、一方、２次側ユニット２は、給電コード４を介して負荷５に接続されている。

図２は１次側ユニット１及び２次側ユニット２に各々収容される結合トランスの構成物を示している。前記結合トランスは、例えば、コ字形に形成され、継鉄部６ａ，６ｂの開放端同士を対向配置した鉄心（以下、コアという）７ａ，７ｂと、コア７ａ，７ｂの脚鉄部８ａ，８ｂの外側（継鉄部６ａ，６ｂの延出方向と逆側）に配置される介在物９ａ，９ｂと、コア７ａ，７ｂの脚鉄部８ａ，８ｂと介在物９ａ，９ｂを内嵌して取り付けられるコイルボビン１０ａ，１０ｂを備えている。

そして、図３に示すように、前記コイルボビン１０ａ，１０ｂに、巻線（以下、コイルという）１１ａ，１１ｂが所定巻数巻回して結合トランスは構成され、外筐１２ａ，１２ｂに収容される。外筐１２ａ，１２ｂは、窓硝子等Ｘと接触する部材（以下、接触部という）１３ａ，１３ｂを樹脂等、金属以外の非磁性体によって構成し、１次コア７ａから放出された磁束が接触部１３ａ，１３ｂを通過して２次コア７ｂに鎖交するように構成する。

また、接触部１３ａ，１３ｂ以外は、例えば、銅やアルミニウムによって形成することにより、外筐１２ａ，１２ｂの外部へ磁束が放出されることを極力抑制して、放出された磁束が電源コード３（図１参照）に鎖交して供給電圧にノイズが発生することを防止する。

１次側ユニット１から２次側ユニット２へ電力を供給する場合は、図１に示す電源コード３によって１次側ユニット１の１次コイル１１ａ（図４参照）に通電する。これにより、１次コイル１１ａ周りに磁束（図４の点線及び二点鎖線）が発生し、その結果、１次コイル１１ａを巻回した１次コア７ａに磁束が鎖交する。

１次コア７ａに鎖交した磁束は、図４の実線矢印で示すように、１次コア７ａの継鉄部６ａの上部開放端から、これと対向する２次コア７ｂの継鉄部６ｂの上部開放端を通って２次コア７ｂに流れる。そして、２次コア７ｂの脚鉄部８ｂを通った後、継鉄部６ｂの下部開放端から１次コア７ａの継鉄部６ａの下部開放端へと流れる。

これにより、２次コア７ｂに巻回した２次コイル１１ｂには誘導電流が流れ、２次側ユニット２に接続した給電コード４を介して負荷５（図１参照）に動作電力が供給される。

つまり、１次側ユニット１と２次側ユニット２間に窓硝子等の非磁性体Ｘが介在しても、１次側ユニット１と２次側ユニット２によって形成される結合トランスの電磁誘導作用によって、１次側ユニット１から２次側ユニット２へ非接触で電力を供給して、２次側ユニット２に接続した負荷５を動作させることができる。

ここで、本発明の非接触電源装置Ａは、１次コア７ａ及び２次コア７ｂの外側（両コア７ａ，７ｂの対向する側と逆側）に介在物９ａ，９ｂを配置して構成したことに特徴を有する。介在物９ａ，９ｂは、コア７ａ，７ｂとコイル１１ａ，１１ｂ間の距離を確保するためのものであり、例えば、樹脂等の絶縁体によって構成すれば良い。

絶縁体９ａ，９ｂを１次コア７ａと２次コア７ｂの外側に配置して、これを内嵌するコイルボビン１０ａ，１０ｂを取り付け、コイルボビン１０ａ，１０ｂに１次，２次コイル１１ａ，１１ｂを巻回することで、１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂ間の結合係数を向上させる。

具体的には、コイル１１ａ，１１ｂ周りに発生し、コア７ａ，７ｂに流れる磁束が、コイル１１ａ，１１ｂとコア７ａ，７ｂ間の距離を拡大することにより、再び、コイル１１ａ，１１ｂ側に戻ってくる量（図４の点線）を減少させ、コア７ａ，７ｂに鎖交する磁束量を増加させるのである。

また、前記介在物９ａ，９ｂを樹脂等の絶縁物の代わりに銅又はアルミニウム等の非磁性体金属によって形成することによっても、１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂ間の結合係数をより向上させることができる。

つまり、コア７ａ，７ｂとコイル１１ａ，１１ｂ間に銅又はアルミニウム等の金属を介在することにより、コイル１１ａ，１１ｂ周りに発生する磁束が介在物９ａ，９ｂを通過する量を極力抑制し、以って、コア７ａ，７ｂ側に鎖交する磁束量を増加させる。

これにより、１次コア７ａから２次コア７ｂへの磁束量は増加し、１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂ間の結合係数をより一層向上させることが可能となる。

つまり、本発明の非接触電源装置は、コア７ａ，７ｂとコイル１１ａ，１１ｂ間の距離を介在物９ａ，９ｂの配置により十分確保し、場合によっては、介在物９ａ，９ｂを磁束の通過を抑制可能な部材とすることにより、コイル１１ａ，１１ｂ側へ戻ってくる磁束量（図４の点線）を減少させるとともに、コア７ａ，７ｂへの磁束鎖交量を増加させ、１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂ間の結合係数を向上させるのである。

図５は１次側ユニット１と２次側ユニット２間の距離と、１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂ間の結合係数の関係を示すグラフである。詳しくは、１次コア７ａと２次コア７ｂの脚鉄部８ａ，８ｂの幅寸法を５［ｍｍ］とし、介在物９ａ，９ｂに絶縁体を採用した場合における絶縁体９ａ，９ｂの幅寸法を０［ｍｍ］から３［ｍｍ］づつ１２［ｍｍ］まで変化させた結果をプロットしたものである。

図５から明らかなように、１次側ユニット１と２次側ユニット２間の距離が変化しても、絶縁体９ａ，９ｂを配さない場合に比べて、絶縁体９ａ，９ｂを配した場合の結合係数は向上し、また、絶縁体９ａ，９ｂの幅寸法が増加するにしたがって結合係数が増していることがわかる。

以上説明したように、本発明の非接触電源装置は、１次コア７ａと２次コア７ｂの外側に介在物９ａ，９ｂを配置して、両コア７ａ，７ｂと介在物９ａ，９ｂ周りに１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂを各々巻回して構成することにより、１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂ間の結合係数を増加可能である。

また、１次コアと２次コアの脚間距離を増加させず、換言すれば、ユニット１，２の接触面積を拡大することなく、１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂ間の結合係数を向上させることができる。

電磁誘導作用により非接触で電力を供給する機器に利用可能である。

１ １次側ユニット
２ ２次側ユニット
３ 電源コード
４ 給電コード
５ 負荷
６ａ，６ｂ 継鉄部
７ａ １次コア
７ｂ ２次コア
８ａ，８ｂ 脚鉄部
９ａ，９ｂ 絶縁体
１０ａ，１０ｂ コイルボビン
１１ａ １次コイル
１１ｂ ２次コイル
１２ａ，１２ｂ 外筐
１３ａ，１３ｂ 接触面
Ａ 非接触電源装置
Ｘ 非磁性体（窓硝子等）

Claims (2)

1. 対向して配置される一次側ユニットと二次側ユニットによって形成される結合トランスの電磁誘導作用によって一次側ユニットから二次側ユニットへ非接触で電力を供給する非接触電源装置において、１次側ユニットと２次側ユニットの１次コアと２次コアの脚鉄部の外側に樹脂等の非金属からなる介在物を配置し、１次コア及び２次コアの脚鉄部と当該介在物周りに１次コイルと２次コイルを各々巻き付けて１次側ユニットと２次側ユニットを構成したことを特徴とする非接触電源装置。
2. 対向して配置される一次側ユニットと二次側ユニットによって形成される結合トランスの電磁誘導作用によって一次側ユニットから二次側ユニットへ非接触で電力を供給する非接触電源装置において、１次側ユニットと２次側ユニットの１次コアと２次コアの脚鉄部の外側に銅又はアルミニウム等の非磁性体の金属からなる介在物を配置し、１次コア及び２次コアの脚鉄部と当該介在物周りに１次コイルと２次コイルを各々巻き付けて１次側ユニットと２次側ユニットを構成したことを特徴とする非接触電源装置。

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