JP2014124018A

JP2014124018A - コイルユニット

Info

Publication number: JP2014124018A
Application number: JP2012278127A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kobayashi; 正幸小林
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-03

Abstract

【課題】コイルから放射される磁束は、コイルユニットを構成するシールド材の磁気特性やシールド構造に大きく影響されため、シールド材とコイルとの位置関係を考慮しながら、コイルを最も好適な位置に固定しなければ、ワイヤレス電力伝送装置の電力伝送効率を著しく劣化させてしまう。
【解決手段】本発明のコイルユニットは、内側面にシールド材が設けられた箱状の筐体と、前記筐体の側壁部に設けられた支持具と、前記支持具に固定されたコイルと、を備え、前記コイルが前記筐体内に配置されていることを特徴とする。このようにコイルが筐体に直接固定されることなく、支持具を介して固定されているため、筐体内の最も電力伝送効率が高まる位置にコイルを固定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルユニットに関する。

近年、電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）（Ｃ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、の３種類に大別できる。

これらの３種類のワイヤレス給電技術のうち、電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、送電側コイルを通る交流が磁界を発生させ、その結果受電側コイルに生じる電圧を利用する送電技術である。この電磁誘導を利用するタイプは、距離を大きくすると電力伝送効率が急激に低下してしまうものの、数ｃｍ程度の近距離であれば、十分な電力伝送効率が得られるうえ、低コストで実現できるため、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されている。

磁場共振現象を利用するタイプ（Ｂ）は、比較的新しい技術であり、一対の自己共振コイルを電磁場において共振させ、電磁場を介して送電するワイヤレスの送電技術である。この技術を応用すれば、数ｍ程度の距離であっても、数ｋＷの大電力を高い電力伝送効率で送電させることも可能である。たとえば、電気自動車の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。ワイヤレスであるため完全に絶縁されたシステム構成が可能であり、特に、雨天時の給電に効果的であると考えられる。

これらの電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）や磁場の共振現象を利用するタイプ（Ｂ）のワイヤレス電力伝送装置においては、送電側のコイルから受電側のコイルに電力をできるだけ効率よく伝送することが求められる。一方で、動作原理の違いこそあれ、コイルを利用して電力を伝送するため、電力伝送時にコイルから漏れ磁束が発生し、他の電子機器の誤動作やノイズを招くことが懸念されている。

特開２０１２−６０８１２号公報特開２０１１−７２１８８号公報

こうした漏れ磁束の対策として、たとえば特許文献１に開示される送受電コイルのように、コイルを磁性シート上に載置して、漏れ磁束をシールドしたり、あるいは特許文献２に開示されているように、コイルをシールドボックス内に収納し、コイルの周囲に発生する電磁界が外部に漏れないように抑制している。

ところで、送受電コイルから放射される磁束は、本来受給電に用いられるべき磁束と受給電には寄与しない上記のような漏れ磁束とに分かれることは避けられない。つまり、放射される磁束のうち、受給電に用いられる磁束の割合が高ければ高いほど電力伝送効率は向上することになる。

一方、コイルからの漏れ磁束を効果的シールドするため、シールド材にはフェライトのような軟磁性材料が用いられるが、コイルから放射される磁束は、シールド材の磁気特性やシールド構造に大きく影響される。そのため、シールド材とコイルとの位置関係を考慮しながら、コイルを最も好適な位置に固定しなければ、本来受給電に用いられるべき磁束が何ら寄与しなくなるばかりか、場合によっては、漏れ磁束に転じてしまい、ワイヤレス電力伝送装置の電力伝送効率を著しく劣化させてしまう。

従って、特許文献１や２のように、シールド材とコイルとの好適な位置関係を検討しないまま、コイルの位置を固定してしまうと、コイル性能を十分に発揮できず、効果的に電力伝送効率を高めることができなかった。

そこで、本発明の目的は、ワイヤレス給電装置において、コイルからの漏れ磁束を効果的に抑制しつつ、最も電力伝送効率が良好な位置にコイルを調整できるコイルユニットを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のコイルユニットは、内側面にシールド材が設けられた箱状の筐体と、前記筐体の側壁部に設けられた支持具と、前記支持具に固定されたコイルと、を備え、前記コイルが前記筐体内に配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、コイルが筐体に直接固定されることなく、支持具を介して固定されているため、受給電動作をしながら、最も電力伝送効率が高まる位置を探し出し、その位置に固定することができる。

さらに好ましくは、支持具の固定部は、コイルの固定位置を調整するための調整部を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、筐体内において、受給電動作を行いながら、コイルを最も電力伝送効率が高まる位置に容易に調整することができる。

本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電装置において、コイルからの漏れ磁束を効果的に抑制し、最も電力伝送効率が高まる位置にコイルを調整できるコイルユニットを提供することができる。

本発明に係る第１実施形態のコイルユニットの外観図である。第１実施形態のコイルユニットの平面図である。図２のＩＩＩ―ＩＩＩ断面図である。図２のＩＶの部分を拡大した図である。本発明のコイルユニットを車両充電装置に応用した例を示す図である。

〔実施形態〕
図１から図４を用い、本発明に係る実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態によるコイルユニットの外観図である。図２は、実施形態のコイルユニット１の平面図である。

コイルユニット１は、箱状の筐体２と、この筐体２の側壁部２ａに設けられた支持具３と、この支持具３に固定されたコイル４が筐体２の中に収まるように配置されている。筐体２の内側面には、筐体内から漏れ磁束が外部に漏洩しないように、シールド材５が筐体２の内側の側面に貼り付けられている。コイル４の外径は、筐体２の内径よりも小さく、両者の間には十分な隙間がある。

実施形態において、筐体２は矩形状をなしているが、コイル４の形状と同じ形状であれば、どのような形状であってもよい。たとえば、コイル４が円形状であれば、筐体２も円筒形状がよい。コイル４の外側面からシールド材５までの距離がほぼ均等であれば、磁束も均等に放射され、たとえ筐体内で反射したとしても筐体２内の一部の空隙に集中することがなくなり、漏れ磁束の防止にも役立つ。

また、筐体２は樹脂材料、アルミニウムなどの金属材料あるいは磁性材料を混合した樹脂性の材料であれば好ましいが、支持具３を用いてコイル４を吊り下げることを考慮すれば、十分な強度を維持できる材料が望ましい。筐体２に樹脂材料やアルミニウムを用いる場合は、シールド材５としてフェライト等の磁性材料を用いることが好ましい。筐体２に磁性材料を混合した樹脂材料を用い、筐体２とシールド材５を兼ね備えた筐体２としてもよい。

図３に示すとおり、コイル４が筐体２の底面に接しないように、シールド材５との間に予め隙間を設けるとよい。このようにすると、コイル４の厚み寸法の公差によるバラツキが生じた場合であっても、筐体２の底面にコイル４が接触することがない。

コイル４が筐体２の底面に接触して、コイル４に応力が掛かると、コイル内の磁束の流れが変化し、コイル性能の劣化を招き、コイル本来の性能が発揮できなくなってしまう。

このように、実施形態のコイル４は、支持具３に固定されている箇所を除き、支持具３のその他の箇所や筐体２のいずれの箇所にも触れていないことになる。

続いて図４を用い、支持具３について説明する。支持具３は、筐体２側に固定される支持具調整部６ａと、コイル４が固定されるコイル調整部６ｂを有している。

支持具３に形成される支持具調整部６ａは、固定のためのネジ径よりも、一方向に長い楕円の孔となっている。支持具３は、この支持具調整部６ａを通じて、ネジで筐体２の側壁部２aに固定されている。

同じく支持具３に形成されるコイル調整部６ｂは、Ｕ字状の切り込み孔となっており、開口部が筐体２の中心側に向いている。

コイル４は、このコイル調整部６ｂを通じて、支持具３から吊り下げられるように支持具３にネジで固定され、筐体２の内部に配置されている。

このように、支持具調整部６ａおよびコイル調整部６ｂは、共に固定に必要とされるネジの径よりも、大きな孔を備えていることになる。つまり、支持具調整部６ａの孔の範囲で支持具３を移動させることができ、コイル調整部６ｂの切り込み孔の範囲でコイル４を移動させることができる。こうして、支持具調整部６ａの孔とコイル調整部６ｂの切り込み孔が、調整部６として機能することになる。

この調整部６によって、電力伝送効率が最も良好になるように、筐体２内におけるコイル４の位置を自在に調整することができる。

次に、筐体２とコイル４との位置調整について、さらに詳しく述べる。図２に示したとおり、導線（図示せず）がコイルボビン（図番なし）の溝に沿って、外周側から内周側に向って次第に半径を小さくしながら巻きまわされ、導線の終端がコイルボビンの背面を経由してコイルボビンの外部に導出され、コイルを形成している。

そうすると、コイルの磁気的な中心は、導線の最も小さい内周の中心とは必ずしも一致しない。ここで、コイルの磁気的な中心というのは、全方位に渡って均等に磁束が発生される点をいい、内周の中心とは、あくまで周方向から均等な距離にある幾何的な点をいう。

仮に最も小さい内周の中心をコイルの磁気的な中心とみなし、筐体２の幾何的中心に一致させて配置したとしても、コイルとシールド材との位置は、電力伝送効率が最も高まる関係を満足しているとは限らない。

そこで、実施形態のコイルユニットを２つ対向させ、実際の受給電動作を繰り返しながら、支持具３の支持具調整部６ａとコイル調整部６ｂの孔を利用し、コイル４を水平に動かし、筐体２内の最も電力伝送効率が高まる位置を探すことになる。

電力伝送効率は、正弦波を発生するアンプと負荷機を用い、受電コイルもしくは給電コイルのいずれかまたは両方を僅かにずらしながら、電流・電圧を測定すればよい。測定値がピークとなるコイルとシールド材の位置が定まれば、支持具３の支持具調整部６ａとコイル調整部６ｂのネジを締め付け、完全に固定すればよい。

実施形態においては、支持具３は、３つのネジ孔を用いた樹脂製の部品として、筐体２の側壁上に固定されているが、支持具３を筐体２の向かい合った側壁部に掛け渡された棒状の部材としてもよい。また、筐体２の側壁部上の全周に渡る環状の部材としてもよい。

また、支持具調整部６ａが固定される筐体２側にコイル４が上下動できる溝部を設け、板ばねなどの弾性部材を介して支持具３を固定すると、コイルの水平方向のみならず、上下方向の調整も可能になり、電力伝送効率が一段と高くなる位置にコイルを調整できる。

また、漏れ磁束に対する筐体２のシールド効果を高めるため、シールド材５の内側面から筐体２の底面にかけて、さらに磁性体７を備えてもよい。このような構成にすると、シールド材５と磁性体７の２層で漏れ磁束を抑えることになり、一段とシールド効果が高まる。

次に、図５を基に、本実施形態のコイルユニットを用いた応用例を説明する。電気自動車２０は、受電コイル９を含むコイルユニット１と、このコイルユニット１に整流器１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を経由して接続されたバッテリ１６とを備えている。

電気自動車２０の下部に配設された給電装置１３は、送電コイル８を含むコイルユニット１と、このコイルユニット１に高周波電力ドライバ１１を経由して接続された交流電源１２を備えている。

受電コイル９は、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、給電装置１３の送電コイル８と電磁場を介して共鳴することにより、電力を受電する。

受電コイル９は、送電コイル８との距離や、送電コイル８および受電コイル９の共鳴周波数等に基づいて、送電コイル８と受電コイル９との共鳴強度を示すＱ値（たとえば、Ｑ＞１００）およびその結合度を示すκ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

このように送電コイル８から受電コイル９に電力が受け渡されるワイヤレス電力伝送装置において、本発明のコイルユニットを用い、送電コイル８と受電コイル９を調整しながら、それらの位置を決定すれば、電力伝送効率にすぐれた電気自動車用のワイヤレス電力伝送装置が実現できる。

以上のように、本発明に係るコイルユニットは、コイルを用いたワイヤレス電力伝送装置において、シールド材とコイルとの位置を調整可能とし、電力伝送効率を効果的に高めることができる。

１コイルユニット
２筐体
２ａ側壁部
３支持具
４コイル
５シールド材
６調整部
６ａ支持具調整部
６ｂコイル調整部
７磁性体
８送電コイル
９受電コイル
１０送電ユニット
１１高周波電力ドライバ
１２交流電源
１３給電装置
１４整流器
１５ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６バッテリ
２０電気自動車

Claims

内側面にシールド材が設けられた箱状の筐体と、前記筐体の側壁部に設けられた支持具と、前記支持具に固定されたコイルと、を備え、前記コイルが前記筐体内に配置されていることを特徴とするコイルユニット。
前記支持具は、前記コイルの位置を調整する調整部を備えたことを特徴とする請求項１のコイルユニット。