JP2015099817A - 受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受電装置の薄型化を図る。【解決手段】受電装置２００は、平板状のコア２４０と、コアに螺旋状に巻回され、巻回中心軸が水平方向に延びるコイル２５０とを備える。コイルは、コイルの延びる方向に対して垂直な平面でコイルを断面視した場合に長辺部２５１と短辺部２５２とを有するように平板状に形成される。コイルは、長辺部がコアの表面と対向するようにコアに巻回されている。【選択図】図３

Description

本発明は、車両外部に設けられた送電装置から非接触で電力を受電する受電装置に関する。

非接触で電力を伝送する受電装置および送電装置が知られている。これらの装置は、コアと、コアに巻回されたコイルとをそれぞれ備えている。下記の特許文献１に開示されているように、コイル（コイル線）としては、断面形状が丸形状のものを採用するのが一般的である。下記の特許文献２，３では、断面形状が丸型のリッツ線が開示されている。このリッツ線は、複数のエナメル線などが撚り合わされることにより形成されている。

特開２０１３−１５４８１５号公報 実開平０４−０９９３１１号公報 特開平０８−０２２７２０号公報

受電装置は、車両の底面に配置されることから、地面との干渉や車高制限等の観点から薄型化が求められる。いわゆるソレノイド型のコイルユニットを採用した受電装置においては、コア厚さと、コイル線径の２倍の厚さとが少なくとも必要である。従来では、コイル線として丸形状のものが用いられているため、コイル線径の分の厚さが厚くなっており、受電装置を薄型化する妨げとなっていた。

本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであって、薄型化を図ることが可能な受電装置を提供することを目的とする。

受電装置は、平板状のコアと、上記コアに螺旋状に巻回され、巻回中心軸が水平方向に延びるコイルとを備える。上記コイルは、上記コイルの延びる方向に対して垂直な平面で上記コイルを断面視した場合に長辺部と短辺部とを有するように平板状に形成されている。上記コイルは、上記長辺部が上記コアの表面と対向するように上記コアに巻回されている。

上記の構成によれば、コイルの長辺部がコアの表面と対向するように配置されるため、たとえば同一断面積を有する丸形状のコイル（コイル線）を用いる場合に比べて薄型化を図ることができる。

実施の形態における電力伝送システムを模式的に示す図である。 実施の形態における電動車両を示す底面図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。 比較例における受電装置を示す断面図である。 第１変形例における受電装置を示す断面図である。 第２変形例における受電装置を示す断面図である。 第３変形例における受電装置を示す断面図である。 第４変形例における受電装置に用いられる受電コイルを示す斜視図である。 第４変形例における受電装置を示す斜視図である。 第５変形例における受電装置に用いられる受電コイルを示す斜視図である。 第５変形例における受電装置に用いられる受電コイルの製造方法（チューブ押出）を説明するための断面図である。 第５変形例における受電装置に用いられる受電コイルの製造方法（充実押出）を説明するための断面図である。

実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数およびその量などに限定されない。同一の部品および相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

（電力伝送システム１０００）
図１は、実施の形態における受電装置２００が適用される電力伝送システム１０００の全体構成を模式的に示す図である。電力伝送システム１０００は、電動車両１００および外部給電装置３００を備える。電動車両１００は、車両本体１１０および受電装置２００を含む。車両本体１１０は、車両ＥＣＵ１２０、整流器１３０、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０、バッテリ１５０、パワーコントロールユニット１６０、モータユニット１７０、および通信部１８０などを有する。受電装置２００は、整流器１３０に接続されている。受電装置２００は、受電コイル２５０（コイル）を有し、車両本体１１０の底面に配置される。

外部給電装置３００は、送電装置４００、高周波電力装置３１０、送電ＥＣＵ３２０、および通信部３２２を含む。高周波電力装置３１０は、交流電源３３０に接続される。送電装置４００は、駐車スペース内に設けられ、高周波電力装置３１０に接続される。送電装置４００は、送電部４１０と、送電部４１０を収容する筐体（図示せず）とを含む。

送電部４１０は、ソレノイド型のコイルユニット４３０と、コイルユニット４３０に接続されたコンデンサ４２０とを有する。コイルユニット４３０は、フェライトを用いて作製された平板状のコア４４０と、コア４４０を挟持して固定する樹脂製の固定部材（図示せず）と、この固定部材を介してコア４４０に螺旋状に巻回され、巻回中心軸（図示せず）の周囲を取り囲むように形成された送電コイル４５０とにより構成される。

電力伝送システム１０００においては、受電コイル２５０が送電コイル４５０に対向した状態で、受電装置２００は送電装置４００から電力を非接触で受電する。たとえば、車両本体１１０が停止しているときに給電ボタンがオン状態に設定されたことを車両ＥＣＵ１２０が検出した場合、車両の動作モードは充電モードに切り替えられる。車両ＥＣＵ１２０は、通信部１８０および通信部３２２を介して、外部給電装置３００によるバッテリ１５０の充電制御の実行を指示する。

（受電装置２００）
図２および図３を参照して、受電装置２００についてより詳細に説明する。図２は、電動車両１００を示す底面図であり、図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。図２および図３において、「Ｄ」は、鉛直方向下方Ｄを示す。「Ｌ」は、車両左方向Ｌを示す。「Ｒ」は、車両右方向Ｒを示す。「Ｆ」は、車両前進方向Ｆを示す。「Ｂ」は、車両後退方向Ｂを示す。「Ｕ」は、鉛直方向上方Ｕを示す。これらについては、後述する図４〜図７においても共通している。

図２を参照して、車両本体１１０は、底面１１２を有している。底面１１２とは、電動車両１００の車輪が地面に接地した状態において、地面に対して鉛直方向下方Ｄに離れた位置から車両本体１１０を見たときに、車両本体１１０のうちの視認可能な領域である。底面１１２には、フロアパネル１１４等が設けられる。受電装置２００は、車両本体１１０の底面１１２に設けられる。受電装置２００を底面１１２に固定するためには、受電装置２００をフロアパネル１１４に固定してもよいし、受電装置２００をサイドメンバまたはクロスメンバから懸架してもよい。

図２および図３を参照して、受電装置２００は、受電部２１０と、受電部２１０を収容する筐体２８０とを含む。筐体２８０は、下方に向けて開口する形状を有する収容部２８１（図３）と、収容部２８１の開口を閉塞する底部２８７（図３）とを含んでいる。収容部２８１は、銅などの金属製の部材により構成され、底部２８７は、樹脂製の部材により構成される。

受電部２１０は、ソレノイド型のコイルユニット２３０と、コイルユニット２３０に接続されたコンデンサ２２０とを有する（図１も参照）。コイルユニット２３０は、フェライトを用いて作製された平板状のコア２４０と、コア２４０を挟持して固定する樹脂製の固定部材２６０（図３参照）と、固定部材２６０を介してコア２４０に螺旋状に巻回され、巻回中心軸Ｏ２（図２参照）の周囲を取り囲むように形成された受電コイル２５０とにより構成される。

受電コイル２５０の巻回中心軸Ｏ２は、水平方向に延びている。言い換えれば、電動車両１００が水平な地面上に配置されている状態において、受電コイル２５０の巻回中心軸Ｏ２は水平方向に対して平行である。本実施の形態では、巻回中心軸Ｏ２は、車両本体１１０の前後方向に対しても平行である。送電コイル４５０（図１参照）の巻回中心軸も水平方向に延びており、電動車両１００が駐車スペース内の電力伝送可能な所定位置に駐車した場合に、受電コイル２５０の巻回中心軸Ｏ２と送電コイル４５０（図１）の巻回中心軸とは互いに平行になることが企図されている。

上記の水平方向とは、完全な水平方向に限られず、略水平方向も含む。略水平方向とは、水平方向から０°より大きく±１５°以下の範囲でずれた状態を含む。各巻回中心軸は、好ましくは、水平方向に対して−１０°以上１０°以下の角度範囲で延びているとよく、より好ましくは、水平方向に対して−５°以上５°以下の角度範囲で延びているとよく、最適には、水平方向に延びているとよい。

図３に示すように、受電コイル２５０は、いわゆるエッジワイズコイルの形状を有している。受電コイル２５０は、受電コイル２５０の延びる方向に対して垂直な平面で受電コイル２５０を断面視した場合に長辺部２５１と短辺部２５２とを有するように平板状に形成されている。受電コイル２５０は、断面形状が長方形であり、２つの長辺部２５１と２つの短辺部２５２とを有している。長辺部２５１の長さは、短辺部２５２の長さよりも長い。受電コイル２５０は、長辺部２５１がコア２４０の表面と（固定部材２６０を介して）対向するように、固定部材２６０を介してコア２４０に巻回されている。すなわち、受電コイル２５０は、長辺部２５１が平板状のコア２４０の表面に沿うように配置されている。

長辺部２５１と短辺部２５２とを有する平板状に形成された受電コイル２５０としては、断面形状が長方形であるものに限られず、断面形状が長円形であるものを採用してもよい。長円形とは、長方形の４つの角部が丸みを有するようにその長方形を変形させた形状である。断面形状において縦横の長さが異なり且つ長辺部２５１と短辺部２５２とを有するものであれば、平板状に形成された受電コイル２５０としては、長方形および長円形以外の形状を有していてもよい。ここで言う「辺」とは、直線状の部位に限られず、曲線状の部位も含まれるものである。すなわち、断面形状において長手方向を有し且つ長辺部２５１と短辺部２５２とを有するものであれば、平板状に形成された受電コイル２５０としては、たとえば楕円形状を有していてもよい。

以上のような断面形状を有する受電コイル２５０は、たとえば、複数本の細い銅線を束ねて銅線束を作製し、その銅線束を固定部材２６０の周囲に巻回することにより構成される。この構成に限られず、受電コイル２５０は、複数本の細い銅線を束ねて銅線束を作製し、その銅線束を絶縁体で覆うことによりコイル線を構成し、そのコイル線を固定部材２６０の周囲に巻回することにより構成してもよい。受電コイル２５０は、複数本の細いリッツ線束を束ねることによりコイル線を構成し、そのコイル線を固定部材２６０の周囲に巻回するようことにより構成してもよい。

上記の受電装置２００においては、受電コイル２５０の長辺部２５１がコア２４０（固定部材２６０）の表面と対向するように配置される。磁束密度＝磁束／（コイル断面積×巻数）であるため、たとえば同一の磁束密度を得るための条件を比較した場合、すなわち、受電コイル２５０と、受電コイル２５０と同じコイル断面積を有する丸形状のコイル（コイル線）とを用いる場合を比較した場合には、受電コイル２５０を用いる場合の方が受電装置の厚さ方向における寸法値を小さくできるため、受電装置の薄型化を図ることができる。

図４は、比較例として、丸形状を有する受電コイル２５０Ｇを備えた受電装置２００Ｇを示す断面図である。受電コイル２５０Ｇは、長辺部および短辺部を有していないため、薄型化することは難しい。したがって、受電装置２００Ｇの厚さＨ２に比べて、図３中に示す受電装置２００の厚さＨ１の方が小さくすることができる。実施の形態における受電装置２００は、比較例における受電装置２００Ｇに比べてより小さな（厚さの薄い）空間内に配置されることができ、地面との干渉や車高制限等の観点において優れていると言える。

図５は、第１変形例における受電装置２００Ａを示す断面図である。受電装置２００Ａでは、受電コイル２５０Ａが用いられる。受電コイル２５０Ａは、上記の受電コイル２５０（図３）の場合と同様に長辺部２５１と短辺部２５２とを有しており、さらに表面にシース（外皮絶縁体）が設けられている。隣り合う受電コイル２５０Ａ（コイル部分）は、互いに接触するように密に配置されている。コイル線ギャップを小さくできるので、たとえば巻数を多くすることにより、磁束密度を増やすことができる。若しくは、磁束密度を増やさない場合には、受電コイルを密に配置することによって、受電装置の巻回中心軸の延びる方向における寸法を小さくすることが可能となる。すなわち、受電装置の厚さが厚くなることを抑制しつつ、巻回中心軸の延びる方向における受電装置の寸法を小さくすることも可能である。

図６は、第２変形例における受電装置２００Ｂを示す断面図である。受電装置２００Ｂでも、受電コイル２５０Ａが用いられる。受電コイル２５０Ａは、内側に巻回される部位と、外側に巻回される部位とが形成されるように、２重（多段）に巻回されている。受電コイル２５０Ａの平板状であるという特徴を活用することによって、このようなレイアウトも実現でき、磁束密度を増加させたり、巻回中心軸の延びる方向における受電装置の寸法を小さくしたり、受電装置の厚さが厚くなることを抑制しつつ巻回中心軸の延びる方向における受電装置の寸法を小さくしたりすることが可能となる。

図７は、第３変形例における受電装置２００Ｃを示す断面図である。受電装置２００Ｃでも、受電コイル２５０Ａが用いられる。受電コイル２５０Ａは、いわゆる１重巻き構造を有しているが、隣り合う受電コイル２５０Ａのコイル部分同士が部分的に重なるように巻回されている。当該構成によっても、磁束密度を増加させたり、巻回中心軸の延びる方向における受電装置の寸法を小さくしたり、受電装置の厚さが厚くなることを抑制しつつ巻回中心軸の延びる方向における受電装置の寸法を小さくしたりすることが可能となる。図６および図７に示す例においては、必要に応じて、３重巻きの構造にすることも可能であり、それ以上の多段構造を採用してもよい。

図８は、第４変形例における受電装置２００Ｄ（図９参照）に用いられる受電コイル２５０Ｂを示す斜視図である。図９は、第４変形例における受電装置２００Ｄを示す斜視図である。便宜上のため、図９には受電装置２００Ｄの筐体などを図示していない。図８および図９に示すように、受電コイル２５０Ｄは、いわゆる平打編組線（flat braiding wire）の構造を有している。

具体的には、受電コイル２５０Ｄは、扁平な帯状の形状を有する基材２５３と、基材２５３の周囲に編組状に巻かれた複数本の素線２５４とを含んでいる。素線２５４は、導電性を有する細線であり、複数本の素線２５４が集束して編組または撚り合わせて基材２５３の周囲に巻回されている。受電コイル２５０Ｂも、上記の受電コイル２５０（図３）の場合と同様に長辺部２５１と短辺部２５２とを有しており、固定部材２６０を介してコア２４０の周囲に螺旋状に巻回されている（図９参照）。

受電コイル２５０Ｄの構成によっても、受電装置の厚さが厚くなることを抑制できる。すなわち、受電コイル２５０Ｂを用いる場合と、受電コイル２５０Ｂと同じコイル断面積を有する丸形状のコイル（コイル線）を用いる場合とを比較したとき、受電コイル２５０Ｂを用いる場合の方が受電装置の厚さ方向における寸法値を小さくできるため、受電装置の薄型化を図ることができる。

受電コイル２５０Ｂを用いる場合には、近接効果の影響を受けにくくなるという利点も得られる。近接効果とは、近接配置された導体から発生した磁場の影響により、交流抵抗（高周波抵抗）が増加したり、発熱量が増加したりする現象である。受電コイル２５０Ｂによれば、近接効果が発生したとしてもその近接効果は内部への近接効果へと分散されるため（換言すると、近接効果は同一束内の他の電流への効果へと分散されるため）、外部への近接効果（他の束に流れる電流への効果）を減少させることができる。結果として、交流抵抗（高周波抵抗）が小さくなり発熱量が低下するため、放熱性に優れた構成を実現できる。

なお、冒頭で述べた特許文献２（実開平０４−０９９３１１号公報）や特許文献３（特開平０８−０２２７２０号公報）の構成では、断面形状が丸型のリッツ線が用いられている。断面形状が丸型のリッツ線を用いる場合には、受電装置が厚くなるだけでなく、近接効果の影響により交流抵抗（高周波抵抗）が大きくなるということも考えられる。

図１０は、第５変形例における受電装置（図示せず）に用いられる受電コイル２５０Ｃを示す斜視図である。受電コイル２５０Ｃは、上記の受電コイル２５０Ｂ（図８）の構成に加えて、絶縁性を有するシース２５５をさらに有している。シース２５５は、基材２５３と基材２５３に巻回された素線２５４とを被覆しており、これらを保護している。

上記の第４変形例の受電コイル２５０Ｂ（図８，図９参照）を固定部材２６０（コア２４０）の周囲に巻回したとする。固定部材２６０の端部（受電コイル２５０Ｂの折り返し部分に対応する箇所）は、角張った形状を有している場合がある。受電コイル２５０Ｂの素線２５４は、被覆されておらず露出しているため、素線２５４が固定部材２６０の端部に摺れたり引っ掛かったりすることがある。

これに対して本変形例の受電コイル２５０Ｃ（図１０）は、素線２５４がシース２５５により被覆および保護されているため、素線２５４が固定部材２６０の端部に摺れたり引っ掛かったりすることはない。素線２５４が傷付いたり、素線２５４の断線が発生したりすることは抑制されるため、受電コイル２５０Ｃの長寿命化が図れる。受電コイル２５０Ｃは、チューブ押出（図１１）により作製してもよいし、充実押出（図１２）により作製してもよい。

図１１を参照して、受電コイル２５０Ｃをチューブ押出により作製する場合には、口金２７０および心金２７１が準備される。素線２５４が巻回された基材２５３は、余熱された状態で口金２７０の中に配置され、心金２７１によって位置決めされる。その後、口金２７０の内表面と心金２７１の外表面との間に流し込まれた絶縁性の樹脂（ポリエチレン樹脂など）は、口金２７０の開口部から図１１の紙面右側に向かってチューブ状に押し出され、冷却により固化する。素線２５４が巻回された基材２５３は、シース２５５により被覆されることとなる。

図１２を参照して、受電コイル２５０Ｃを充実押出により作製する場合には、口金２７２および心金２７３が準備される。心金２７３の端部（心金２７３のうちの図１２の紙面右側に位置する端部）は、口金２７２の内部に位置している。素線２５４が巻回された基材２５３は、余熱された状態で口金２７２の中に配置され、心金２７３によって位置決めされる。その後、口金２７２の内表面と心金２７３の外表面との間に流し込まれた樹脂は、口金２７２の開口部から図１２の紙面右側に向かって押し出され、冷却により固化する。素線２５４が巻回された基材２５３は、シース２５５により被覆されることとなる。

ここで、充実押出（図１２）の場合、素線２５４（図１０）の周りを樹脂が被覆する際に、素線２５４には樹脂から押し付けられるような圧力が作用し、隣接する素線２５４の間の隙間が樹脂により埋められる。充実押出でシース２５５を形成する場合には、素線２５４（リッツ線）に圧力が加わる。したがって、素線２５４が断線することをより確実に防ぐという観点からは、チューブ押出により受電コイル２５０Ｃを作製することが好適である。

チューブ押出（図１１）の場合、素線２５４が巻回された基材２５３の周りを樹脂がチューブ状に押し出され、シース２５５の被覆厚さは略一定となる。このため、充実押出の場合に比べて、素線２５４とシース２５５との間の密着力を低下させることもできる。受電コイル２５０Ｃを固定部材２６０（コア２４０）へ巻き付ける際、素線２５４とシース２５５との間の密着力が低いため、固定部材２６０の端部付近で受電コイル２５０Ｃの素線２５４に局所的な応力が作用することも抑制され、素線２５４が断線することをより確実に防ぐことが可能となる。

以上の実施の形態および各変形例は、受電コイルが断面形状において長辺部および短辺部を有するように平板状に形成され、且つ受電コイルの長辺部がコアの表面と対向するように巻回されているという構成に基づき説明したが、このような構成は送電装置の送電コイルにも同様に適用できるものである。すなわち、送電コイルが断面形状において長辺部および短辺部を有するように平板状に形成され、且つ送電コイルの送辺部がコアの表面と対向するように巻回されているという構成によれば、送電装置の薄型化を図ることができる。

以上、本発明に基づいた実施の形態および変形例について説明したが、今回開示された実施の形態よび変形例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 電動車両、１１０ 車両本体、１１２ 底面、１１４ フロアパネル、１３０ 整流器、２００，２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００Ｄ，２００Ｇ 受電装置、２１０ 受電部、２２０，４２０ コンデンサ、２３０，４３０ コイルユニット、２４０，４４０ コア、２５０，２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃ，２５０Ｄ，２５０Ｇ 受電コイル（コイル）、２５１ 長辺部、２５２ 短辺部、２５３ 基材、２５４ 素線、２５５ シース、２６０ 固定部材、２７０，２７２ 口金、２７１，２７３ 心金、２８０ 筐体、４００ 送電装置、４１０ 送電部、４５０ 送電コイル、Ｈ１，Ｈ２ 厚さ、Ｏ２ 巻回中心軸。

Claims (1)

1. 平板状のコアと、
   前記コアに螺旋状に巻回され、巻回中心軸が水平方向に延びるコイルとを備え、
   前記コイルは、前記コイルの延びる方向に対して垂直な平面で前記コイルを断面視した場合に長辺部と短辺部とを有するように平板状に形成され、
   前記コイルは、前記長辺部が前記コアの表面と対向するように前記コアに巻回されている、受電装置。