JP2014063768A - 非接触給電システムに用いられるコイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】給電により生じる損失の最小化と電力伝達効率を最大化することができる非接触給電システムに用いられるコイルユニットを提供すること。
【解決手段】給電装置２と受電装置３により電力を伝送する非接触給電システムにおいて、給電装置２において、前記送電コイル１１の外径の外に、前記防磁板１３と電気的に接続させた、高透磁率または低抵抗な材料により形成された、電磁場規制部１４を配置し、前記給電装置に設けられた前記送電コイル１１により発生する電磁場の分布領域を制限した。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば電気自動車やハイブリッド車のような電気推進車両に搭載された２次側コイルへと、内蔵の１次側コイルから電力を非接触で伝達する非接触給電システムに用いられるコイルユニットに関する。

安全性が高く、漏れ磁束が少なく、ノイズ減少を図ることができる、出力トランスの１次コイルから２次コイルに電磁誘導で電力を伝達する給電装置が提案されている。

このものにあっては、給電装置の１次コイルと２次コイルの対向面に絶縁部を設けると共に、１次コイルと２次コイルを前記対向面を除いて磁気抵抗あるいは電気抵抗の低い材料からなる外囲器で覆うようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−２３９１３６号公報

しかしながら、１次コイルと２次コイルの両側に外囲器があるため、外囲器での損失が大きくなり、１次コイルと２次コイルの対向面の位置ずれがあると、外囲器外側に漏れた磁界は２次コイルへ到達できず、電力伝達効率が悪くなる。

本発明の主目的は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、給電により生じる損失の最小化と電力伝達効率を最大化することができる非接触給電システムに用いられるコイルユニットを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、給電装置から受電装置に対し電力を非接触で供給する非接触給電システムに用いられるコイルユニットであって、電磁場を発生するコイルと、前記コイルの巻き中心に発生する磁束にほぼ垂直となる面に設置した、高透磁率または低抵抗な材料により形成される板状の防磁板を具備し、前記給電装置に、前記コイルの外径の外に、前記防磁板と電気的に接続させた、高透磁率または低抵抗な材料により形成された、電磁場規制部を配置し、前記給電装置に設けられた前記コイルにより発生する電磁場の分布領域を制限した。

本発明によれば、電磁場規制部は、給電装置側のみに配置することが可能となるため、受電装置側での電磁場規制部による損失がなく、給電損失を抑えることができる。

また、受電装置側はコイル外径の外方向をさえぎる高透磁率または低抵抗な構造物がないため、コイル外径の外方向を含めて、広く磁束の電力を受け取ることができる。受電装置側が広く磁束の電力を受け取ることができるので、給電装置と受電装置のコイル位置ずれに対しても電力伝達効率を維持できる。

さらに、給電装置側の電磁場規制部で電磁場の分布領域を絞っているので、受電装置への電力伝達に寄与しない磁束の広がりを抑える（規制すること）ことができ、電力伝達効
率を向上できる。

本発明に係る非接触給電システムの概略図 本実施例の給電装置の内部構造を示す斜視図 図２の給電装置の縦断面図 本実施例の効果を説明する断面図 第２の実施形態の給電装置の内部構造を示す斜視図 第３の実施形態の給電装置の内部構造を示す斜視図

（実施の形態１）
本発明は、高周波の電磁場を発生させる給電装置と、電磁場より電力を取り出す受電装置とで構成された非接触給電システムに用いられるコイルユニットである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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。

図１は、本発明に係る非接触給電システムの概略図で、図１（ａ）は車両後方より見た場合を、図１（ｂ）は車両側方より見た場合を示している。

図１に示されるように、非接触給電システムは、例えば駐車スペースに設置される給電装置２と、例えば電気推進車両（以下「車両」と略記する場合がある）１の底部に搭載される受電装置３とで構成される。給電装置２から受電装置３に給電するに際し、車両１を適宜移動させることで給電装置２と受電装置３が対向して配置され、その間に高周波の電磁場領域４が形成される。受電装置３は、高周波の電磁場領域４より電力を取り出し、取り出した電力で充電する。

電磁場領域４には、給電装置２と受電装置３間の電力伝達のため特に強い電磁場が存在する。

図２は図１に示される給電装置２の内部構造を示しており、特にカバー（図示せず）を取り外したときの斜視図である。また、図３は図２の給電装置２の縦断面図である。

図２乃至図３に示されるように、給電装置２は、金属製の防磁板１３に順次載置され固定されたベース部材１６、磁心コア部１２、送電コイル１１と、これらの部品を囲うように防磁板１３に載置され、電気接続部１５で固定された電磁場規制部１４とを備え、カバー（図示せず）で覆われている。

ベース部材１６には、金属や導電性材料以外の材料が用いられ、例えば、セラミック又は熱伝導率を向上させるフィラーを配合した樹脂が用いられる。

ベース部材１６の上には、フェライトに代表される高透磁率材料により構成し、磁束を集中するための磁心コア部１２が載置される。

送電コイル１１は、環状の形状を有するように巻回されている。送電コイル１１は銅線等で構成されているが、便宜上、例えば図２では円盤状に描かれている。

磁心コア部１２および送電コイル１１の径方向外側には、金属製で略円筒形状の電磁場規制部１４が配置されている。電磁場規制部１４は、防磁板１３と複数個所に設けられた
電気接続部１５で、例えばネジ等を使用して電気的に接続され、送電コイル１１により発生させる高周波の電磁場の領域を制限するよう、送電コイル１１の電磁場規制部１４の開口側以外の方向を囲繞する。

以上のような構成を有する給電装置２は、駐車スペースに浅く埋設される場合がある。他にも、給電装置２自体が移動可能に構成される場合がある。なお、給電装置２は、埋設の場合であっても、移動可能な場合でもあっても、防磁板１３が下方を向くように設置される。

電気推進車両１に搭載された受電装置３（図１参照）と、給電装置２とが、エアギャップを介して対向するように位置決めして駐車される。このように位置決めされた状態で、給電装置２から受電装置３へと電力が非接触で伝達される。

図４は、送電コイル１１、電磁場規制部１４と防磁板１３の関係を説明する断面の略図で図３と同じ位置を示している。図４（ａ）は、特に、電磁場規制部１４と防磁板１３が電気的に接続しない場合を示している。この場合、送電コイル１１により発生した磁束２０の一部が、電磁場規制部１４と防磁板１３の間を通り電磁場規制部１４の外側を回り込む磁束２１となる。図４（ｂ）は、本実施形態の技術的効果の説明に好適な図であり、電磁場規制部１４と防磁板１３が電気的に接続している場合を示している。この場合、送電コイル１１により発生した磁束２０は、電磁場規制部１４の内側に閉じ込められる。

図４（ａ）に示すように電磁場規制部１４と防磁板１３が電気的に接続していない場合、電磁場規制部１４と防磁板１３の間を通って電磁場規制部１４の外側に回りこんで広がる磁束２１が生じる。また、この磁束２１は電磁場規制部１４断面を周回する磁路となるため、送電コイル１１と電磁場規制部１４がトランスのように結合して電流を流し、大きな損失を生じる。

それに対し、図４（ｂ）に示すように電磁場規制部１４と防磁板１３が電気的に接続している場合、磁束２０は電磁場規制部１４の開口側以外の方向で閉じ込められ、磁束２０の広がりが抑止される。送電コイル１１の径方向から電磁場規制部１４開口側への磁束２０の広がりは、主に送電コイル１１と電磁場規制部１４の位置関係で変わる。

受電装置３（図１参照）と、給電装置２とが、エアギャップを介して対向するように位置決めされて、給電装置２から受電装置３へと電力が非接触で伝達される状態で、磁束２０の磁路が広がると、車両１の金属部での損失などが増え、受電装置３で電力として取り出せる磁束が減って、電力伝達効率を下げる。電磁場規制部１４により磁束２０の広がりが抑止することで、電力伝達効率を最大化できる。

また、電磁場規制部１４と防磁板１３には磁束２０による渦電流が流れ損失が発生するが、電磁場規制部１４と防磁板１３をアルミニウムなどの低抵抗材料で構成したり、送電コイル１１の近傍にフェライトなどの高透磁率材料を配置して電磁場規制部１４、防磁板１３近傍の磁束２０を少なくしたりすることにより低減できる。

以上のように、本実施形態では、送電コイル１１外周の外側に配置した電磁場規制部１４と防磁板１３を電気的に接続して構成したことにより送電コイル１１により発生する磁束２０の広がりを制御でき、電磁場領域４を制限できる。

形成される電磁場領域４を制限して絞り込むことと、受電装置３側に電磁場規制部１４を配置しないことにより、給電装置２と受電装置３の位置がずれても、電力が効率よく伝達することが可能となる。

また、電磁場規制部１４と防磁板１３を電気的に接続した構成とすることで、電磁場規制部１４自体の損失を抑え、磁束２０の広がりを制御して、給電装置２から受電装置４へ非接触で伝達する電力を最大化することができる。

（実施の形態２）
図５は、電磁場規制部１４の高さを違えた第２の実施形態の給電装置の内部構造の斜視図を示す。車両１の後方位置に受電装置３（図１参照）と、給電装置２とが設置され、車両１後方に磁束による損失が発生する構造物が取り付けられている場合、図５のように給電装置２の後ろ側（つまり電気推進車両１の後部に相当する側）の電磁場規制部１４の高さを高くして、後方への磁束２０の広がりを抑えることで、損失を最小限に抑えることができる。

（実施の形態３）
図６は、電磁場規制部１４の高さを部分的にゼロにした第３の実施形態の給電装置の内部構造の斜視図を示す。図５と同様に、受電装置３（図１参照）と、給電装置２の設置状態により、電磁場規制部１４の配置位置を調整して、意図する方向への磁束２０の広がりを抑えることで、損失を最小限に抑えることができる。さらに、電磁場規制部１４の高さを部分的にゼロにして、電磁場規制部１４自体の損失をさらに抑えることができる。なお、第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、電磁場規制部１４の高さは、電気推進車両１の後端に近い方を高くすることが好ましい。

以上のように、第２、第３の実施形態では、電磁場規制部１４の高さを部分的に違えて、損失が少ない方向への磁束２０の広がりを許容して、非接触で伝達する電力を最大化することもできる。

本発明に係る非接触給電システムは、給電装置から受電装置への給電により生じる損失を最小にし、給電装置と受電装置のコイルユニットの位置ずれに対しても電力伝達効率を最大かできるので、電気推進車両１の受電装置への給電等に有用である。

１ 電気推進車両、 ２ 給電装置、 ３ 受電装置、 ４ 電磁場領域、
１１ 送電コイル、 １２ 磁心コア部、 １３ 防磁板、
１４ 電磁場規制部、 １５ 電気接続部、 ２０ 磁束

Claims (3)

1. 給電装置から受電装置に対し電力を非接触で供給する非接触給電システムに用いられるコイルユニットであって、
   電磁場を発生するコイルと、
   前記コイルの巻き中心に発生する磁束にほぼ垂直となる面に設置した、高透磁率または低抵抗な材料により形成される板状の防磁板を具備し、
   前記給電装置において、前記コイルの外径の外に、前記防磁板と電気的に接続させた、高透磁率または低抵抗な材料により形成された、電磁場規制部を配置し、前記給電装置に設けられた前記コイルにより発生する電磁場の分布領域を制限したことを特徴としたコイルユニット。
2. 前記電磁場規制部が前記コイル外径を囲うループ形状とした請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記電磁場規制部の前記防磁板から前記電磁場規制部他端までの距離を不均一とした請求項２に記載のコイルユニット。