JP2016046298A - コイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】コイルに磁性体を近接配置した場合の交流抵抗の増大を抑制してコイルのＱ値を大幅に向上させ、高効率、低損失なコイルユニットを得る。【解決手段】コイルユニットは、棒状または板状の磁性体と、磁性体の表面上に巻回された巻線と、を備える。巻線は、絶縁被覆導体を複数撚り合わせた一次素線３０３と、一次素線３０３を複数撚り合わせた二次素線と、を含んで構成されるとともに、巻線の最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分４００と素線間の間隔が狭い第二の部分を有し、第二の部分は、第一の部分４００よりも磁性体の表面側に位置している。【選択図】図４ａ

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に用いられるコイルユニットに関するものである。

非接触電力伝送技術は、相対させた１次（送電）コイルと２次（受電）コイルとの間の電界、磁界、電磁波等の結合を利用し、１次コイルに与えた交流電流のエネルギーを２次コイルに非接触にて伝送する技術である。伝送技術としていくつかの方式があるが、その中でも磁界の結合を利用し、送電コイルユニットと受電コイルユニットをＬＣ共振回路として両コイルユニットの共振周波数を合わせた磁界共鳴方式は、近〜中距離における大電力の伝送を高効率に行うことができる方式として注目を集めている。

磁界共鳴方式の非接触電力伝送技術を電気自動車などの大電力伝送が必要な充電装置に適用した場合、損失による発熱が深刻な問題となるため、コイルユニット自身の低損失化、電力伝送の高効率化が求められている。

このような要求に対して、例えば、特許文献１では、コイルが渦巻き状に巻回されたフラット構造よりなると共に、該コイルが配設される磁心コアがフラットな平板状をなすフェライトコアである非接触給電装置が提案されている。この非接触給電装置では、該コイルと該磁心コアについて、全体の磁気抵抗を最小とすべく、相互間で面積を目安とした配置調整が実施されることにより、形成される磁束について、その妨げとなる磁気抵抗が最小化され、その分だけ電力損失が低減され、高出力が確保されるようになり、充電効率等の給電効率を向上している。

特開２０１０−１１９１８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、磁性体をコアとしてコイルに近接させて配置していることから、鏡像効果と呼ばれる現象によりコイルの損失が増大し、結果、コイルユニットの発熱が増大するという課題があった。ここで鏡像効果とは、交流電流の流れる導線に磁性体を近接させた際、磁性体表面を対称面とする鏡映対称な導線が存在して磁束を打ち消し合うかのようにコイルに逆起電力が誘起され、磁性体に近接する部分で導線内部の電流密度が低くなることにより、交流抵抗が増大する現象である。

また、特許文献１に開示される技術では、磁気抵抗を最小化することでコイル間のインダクタンスを向上できるものの、上述のように交流抵抗が増大することから、これらの値によって決定され、伝送効率に寄与するコイルのＱ値はほとんど変化しない、あるいは場合によっては低下してしまう虞があり、コイルのＱ値を大幅に向上させることは難しく、高効率化が不十分という課題があった。ここで、コイルのＱ値とはＱ＝ωＬ／Ｒの式で表される量であり、電力伝送に用いる伝送周波数の角速度ωとコイルユニットのインダクタンスの積を、伝送周波数での交流抵抗で除した値である。

本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、コイルに磁性体を近接配置した場合の交流抵抗の増大を抑制してコイルのＱ値を大幅に向上させ、高効率、低損失なコイルユニットを得ることを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明者等が鋭意研究した結果、コイルの導線として、複数の絶縁被覆導体を撚り合わせて構成した巻線を構成する素線間の間隔と、磁性体との位置関係により、交流抵抗の増大を抑制し、さらには交流抵抗を低減することが可能であることが新たに見出されたため、本発明を完成するに至った。

本発明に係るコイルユニットは、棒状または板状の磁性体と、磁性体の表面上に巻回された巻線と、を備え、巻線は、絶縁被覆導体を複数撚り合わせた一次素線と、一次素線を複数撚り合わせた二次素線と、を含んで構成されるとともに、巻線の最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分と素線間の間隔が狭い第二の部分を有し、第二の部分は、第一の部分よりも磁性体の表面側に位置していることを特徴とする。

本発明によれば、巻線が、複数の絶縁被覆導体を撚り合わせ一次素線と、一次素線を複数撚り合わせた二次素線と、を含んで構成されるとともに、巻線の最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分と素線間の間隔が狭い第二の部分を有し、第二の部分は、第一の部分よりも磁性体側に位置している。そのため、磁性体の鏡像効果によって生じる逆起電力に起因する交流抵抗の増大を最も効率的に抑制することができ、コイルユニットの低損失化を実現できる。また、本発明に係るコイルユニットは、コイルのインダクタンスを低下させず交流抵抗のみを抑制することができるため、コイルのＱ値を大幅に向上できる。その結果、伝送効率の高効率化を図ることができる。

好ましくは、巻線の断面の総面積の大きさは、複数の絶縁被覆導体の１本あたりの断面積の大きさに対して２００倍以上であるとよい。この場合、巻線の最外周を構成する第一の部分と第二の部分の素線間の間隔の差が、十分に大きくなり、鏡像効果による交流抵抗の増大をより一層抑制することができ、コイルのＱ値をより一層大幅に向上させることができる。

本発明によれば、コイルに磁性体を近接配置した場合の交流抵抗の増大を抑制してコイルのＱ値を大幅に向上させ、高効率、低損失なコイルユニットを提供することができる。

本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置を負荷とともに示すシステム構成図である。 本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの断面図である。 本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの巻線における撚り合わせ構造を示す模式図である。 本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおいて、図２の矢印Ａ方向から見た巻線の平面図である。 本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおいて、図２の矢印Ｂ方向から見た巻線の平面図である。 絶縁被覆導体を３段階撚り合わせた構造の巻線を、巻線の延在方向に対して直交する方向に断面視した模式断面図である。 図２に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの断面図に相当する、変形例に係るコイルユニットの断面図である。 変形例に係るコイルユニットにおいて、図６の矢印Ｃ方向から見た巻線の平面図である。 変形例に係るコイルユニットにおいて、図６の矢印Ｄ方向から見た巻線の平面図である。 変形例に係るコイルユニットにおいて、図６の矢印Ｅ方向から見た巻線の平面図である。 変形例に係るコイルユニットにおいて、図６の矢印Ｆ方向から見た巻線の平面図である。 図２の矢印Ａ方向から見た巻線の平面図に相当する、比較例１に係るコイルユニットの巻線の平面図である。 図２の矢印Ｂ方向から見た巻線の平面図に相当する、比較例１に係るコイルユニットの巻線の平面図である。 実施例１と比較例１、２のインダクタンスＬの測定結果である。 実施例１と比較例１、２の等価直列抵抗値Ｒｓの測定結果である。 実施例１と比較例１、２のＱ値の測定結果である。 実施例２と比較例３、４のインダクタンスＬの測定結果である。 実施例２と比較例３、４の等価直列抵抗値Ｒｓの測定結果である。 実施例２と比較例３、４のＱ値の測定結果である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置Ｓ１の全体構成について説明する。図１は、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置を負荷とともに示すシステム構成図である。なお、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットは、非接触電力伝送装置における送電コイルユニットおよび受電コイルユニットのいずれにも適用可能である。

非接触電力伝送装置Ｓ１は、図１に示されるように、送電装置Ｕｔと、受電装置Ｕｒと、を有する。

送電装置Ｕｔは、電源ＰＷと、インバータＩＮＶと、送電側共振部Ｒｔｕと、を有する。受電装置Ｕｒは、整流回路ＤＢと、受電側共振部Ｒｒｕと、を有する。

まず、送電装置Ｕｔの構成について説明する。電源ＰＷは、直流電力を後述するインバータＩＮＶに供給する。電源ＰＷとしては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、あるいはスイッチングコンバータ等のスイッチング電源装置などが挙げられる。

インバータＩＮＶは、電源ＰＷから供給される入力直流電力を交流電力に変換する機能を有している。本実施形態では、インバータＩＮＶは、電源ＰＷから供給される入力直流電力を交流電力に変換し、共振部である後述の送電コイルユニットＬｔｕ、送電側共振コンデンサユニットＣｔｕに供給する。インバータＩＮＶとしては、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。このスイッチング回路を構成するスイッチング素子としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。

送電側共振部Ｒｔｕは、図１に示されるように、送電コイルユニットＬｔｕと、送電側共振コンデンサユニットＣｔｕと、を有する。具体的には、送電側共振部Ｒｔｕは、送電コイルユニットＬｔｕと送電側共振コンデンサユニットＣｔｕにより形成されるＬＣ共振回路を構成している。したがって、この送電側共振部Ｒｔｕの共振周波数を後述する受電側共振部Ｒｒｕの共振周波数とほぼ等しく構成することで、磁界共鳴方式の電力伝送を実現することが可能となる。

送電コイルユニットＬｔｕは、インバータＩＮＶから供給された交流電力を後述する受電コイルユニットＬｒｕに送電する機能を有する。なお、本実施形態に係る非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、送電コイルユニットＬｔｕは、地中または地面近傍に配設されることとなる。

送電側共振コンデンサユニットＣｔｕは、送電側共振部Ｒｔｕの共振周波数が後述する受電側共振部Ｒｒｕの共振周波数とほぼ等しくなるように、共振周波数を調整する機能を有する。この送電側共振コンデンサユニットＣｔｕは、送電コイルユニットＬｔｕに直列接続されていてもよく、並列接続されていてもよく、あるいは直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。

次に、受電装置Ｕｒの構成について説明する。受電側共振部Ｒｒｕは、図１に示されるように、受電コイルユニットＬｒｕと、受電側共振コンデンサユニットＣｒｕと、を有する。具体的には、受電側共振部Ｒｒｕは、受電コイルユニットＬｒｕと受電側共振コンデンサユニットＣｒｕにより形成されるＬＣ共振回路を構成している。したがって、この受電側共振部Ｒｒｕの共振周波数を送電側共振部Ｒｔｕの共振周波数とほぼ等しく構成することで、磁界共鳴方式の伝送を実現することが可能となる。

受電コイルユニットＬｒｕは、送電コイルユニットＬｔｕから送電された交流電力を受電する機能を有する。なお、本実施形態に係る非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、受電コイルユニットＬｒｕは、車両下部に搭載されることとなる。

受電側共振コンデンサユニットＣｒｕは、送電側共振部Ｒｔｕの共振周波数が受電側共振部Ｒｒｕの共振周波数とほぼ等しくなるように、共振周波数を調整する機能を有する。この受電側共振コンデンサユニットＣｒｕは、受電コイルユニットＬｒｕに直列接続されていてもよく、並列接続されていてもよく、あるいは直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。

整流回路ＤＢは、受電コイルユニットＬｒｕが受電した交流電力を直流電力に整流する機能を有する。整流回路ＤＢとしては、ダイオードブリッジを用いた全波整流機能と、コンデンサ及び三端子レギュレータを用いた電力平滑化機能を備えた変換回路などが挙げられる。この整流回路ＤＢにより整流された直流電力は、負荷Ｒに出力される。ここで、負荷Ｒとしては、本実施形態に係る非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、車両が有する二次電池や回転機が挙げられる。なお、負荷Ｒが交流回転機の場合、非接触受電装置Ｕｒの整流回路ＤＢと負荷Ｒとの間にインバータ（図示しない）を付加して交流回転機に交流電力を供給するように構成する必要がある。

このような構成を備えることにより、送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕが対向することで、非接触にて電力が伝送される非接触電力伝送装置Ｓ１が実現される。

続いて、上述した送電コイルユニットＬｔｕあるいは受電コイルユニットＬｒｕに適用される本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの構成について詳細に説明する。

図２〜図４を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１の構成について説明する。図２は、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの断面図である。図３は、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの巻線における撚り合わせ構造を示す模式図である。図４ａは、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおいて、図２の矢印Ａ方向から見た巻線の平面図である。図４ｂは、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおいて、図２の矢印Ｂ方向から見た巻線の平面図である。なお、図４ａ及び図４ｂにおいて、説明の便宜上、磁性体Ｆ１は省略している。

コイルユニットＬｕ１は、図２に示されるように、磁性体Ｆ１と、コイルＣ１と、を有する。磁性体Ｆ１は、棒状または板状の磁性体である。本実施形態では、磁性体Ｆ１は、外形形状が略直方体形状を呈しており、その外表面として、対向する略長方形状の第１および第２の主面Ｆ１ａ、Ｆ１ｂと、対向する第１および第２の側面（図示しない）と、対向する第１および第２の端面Ｆ１ｃ、Ｆ１ｄと、を有する。第１および第２の側面は、第１および第２の主面Ｆ１ａ、Ｆ１ｂ間を連結するように第１および第２の主面Ｆ１ａ、Ｆ１ｂの長辺方向に伸びている。第１および第２の端面Ｆ１ｃ、Ｆ１ｄは、第１および第２の主面Ｆ１ａ、Ｆ１ｂ間を連結するように第１および第２の主面Ｆ１ａ、Ｆ１ｂの短辺方向に伸びている。また、コイルユニットＬｕ１を送電コイルユニットＬｔｕあるいは受電コイルユニットＬｒｕに適用した場合、磁性体Ｆ１の第１および第２の主面Ｆ１ａ、Ｆ１ｂの長辺方向が送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向と直交する方向に一致するように配置されることとなる。またさらには、磁性体Ｆ１は、後述するコイルＣ１と離間して配置されており、磁性体Ｆ１と後述するコイルＣ１との間の離間距離は、これらの間に必要な絶縁距離や、磁性体Ｆ１が後述するコイルＣ１に及ぼす好ましい磁気抵抗の低減効果に基づいて適宜設定される。このような磁性体Ｆ１としては、比較的比透磁率の高い材料から構成されていると好ましく、例えばフェライトが挙げられる。

コイルＣ１は、略方形を呈した平面状のスパイラル構造のコイルであり、磁性体Ｆ１の表面上に巻線Ｗ１を巻回して形成されている。本実施形態では、コイルＣ１は、磁性体Ｆ１の第１の主面Ｆ１ａ上に巻線Ｗが巻回されている。すなわち、コイルＣ１の軸方向は、磁性体Ｆ１の第１および第２の主面Ｆ１ａ、Ｆ１ｂの長辺方向と直交する方向である送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向に対して平行となる。ここで、コイルユニットＬｕ１を送電コイルユニットＬｔｕに適用した場合、コイルＣ１は、送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向において、磁性体Ｆ１よりも受電コイルユニットＬｒｕ側に近接配置される。一方、コイルユニットＬｕ１を受電コイルユニットＬｒｕに適用した場合、コイルＣ１は、送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向において、磁性体Ｆ１よりも送電コイルユニットＬｔｕ側に近接配置される。言い換えれば、磁性体Ｆ１は、電力伝送の際のコイルＣ１の電力伝送面とは反対側に配置されることとなる。このような構成により、コイルＣ１の巻線Ｗ１を断面視した場合、巻線Ｗ１の外周面の一部が磁性体Ｆ１の第１主面Ｆ１ａに近接し、巻線Ｗ１の外周面の一部（残部）が磁性体Ｆ１の第１主面Ｆ１ａから遠ざかるように配置されることとなる。コイルＣ１の巻数は、電力伝送の際に対向することとなるコイルとの間の離間距離や、所望の電力伝送効率などに基づいて適宜設定される。

巻線Ｗ１は、図３に示されるように、導体３０１を絶縁材３００で被覆した絶縁被覆導体３０２を複数撚り合わせて構成されている。具体的には、巻線Ｗ１は、絶縁被覆導体３０２を複数撚り合わせた一次素線３０３と、一次素線３０３を複数撚り合わせた二次素線３０４と、を含んで構成されている。すなわち、巻線Ｗ１は、絶縁被覆導体３０２を多段階に撚り合わせた構造となっている。この絶縁被覆導体３０２を構成する導体３０１としては、銅、アルミニウムあるいはそれらを主成分とする合金であると好ましく、これらを積層したものも好ましく挙げられる。また、絶縁被覆導体３０２を構成する絶縁材３００としては、ウレタン系樹脂、イミド系樹脂であると好ましい。

また、巻線Ｗ１は、図４ａおよび図４ｂに示されるように、巻線Ｗ１の最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分４００と素線間の間隔が狭い第二の部分４０１を有する。本実施形態では、巻線Ｗ１の最外周を構成する素線は、一次素線３０３に相当する。第一の部分４００は、図４ａに示されるように、巻線Ｗ１の最外周を構成する一次素線３０３間の間隔が広くなっている。一方、第二の部分４０１は、図４ｂに示されるように、巻線Ｗ１の最外周を構成する一次素線３０３間の間隔が狭くなっている。具体的には、図４ａにおいて、隣接する一次素線３０３の一方の一次素線３０３の幅に対する中心線４０５と他方の一次素線３０３の幅に対する中心線４０６に対して直交する方向にそれぞれの中心線を結ぶ線分４０７の長さが第一の部分４００における一次素線３０３間の間隔となり、図４ｂにおいて、隣接する一次素線３０３の一方の一次素線３０３の幅に対する中心線４０５と他方の一次素線３０３の幅に対する中心線４０６に対して直交する方向にそれぞれの中心線を結ぶ線分４０８の長さが第二の部分４０１における一次素線３０３間の間隔となる。本実施形態では、線分４０７の長さが線分４０８の長さよりも長くなっている。すなわち、第一の部分４００における一次素線３０３間の間隔が第二の部分４０１における一次素線３０３間の間隔よりも広くなっている。そして、図２に示されるように、第二の部分４０１が、第一の部分４００よりも磁性体Ｆ１の表面側に位置するように構成されている。ここで、巻線Ｗ１の最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分４００と素線間の間隔が狭い第二の部分４０１の作製方法の一例を説明する。例えば、巻線Ｗ１を挟み込むように抑え、挟まれてない部分が局部的に変形するまで、治具等を用いて圧力を加えることにより、圧力を加えた局部は素線間が狭くなり、それ以外の部分は素線間の間隔が広くなる。以上により、最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分４００と素線間の間隔が狭い第二の部分４０１を有する巻線Ｗ１が達成される。なお、本例は、巻線Ｗ１の最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分４００と素線間の間隔が狭い第二の部分４０１の作製方法の一例であって、これに限られることなく、種々の作製方法が適用可能である。

本実施形態では、巻線Ｗ１は、絶縁被覆導体３０２を２段階撚り合わせた構造となっているがこれに限られない。ここで、図５を参照して、絶縁被覆導体３０２を３段階撚り合わせた構造の巻線Ｗ１’について説明する。図５は、絶縁被覆導体を３段階撚り合わせた構造の巻線を、巻線の延在方向に対して直交する方向に断面視した模式断面図である。図４に示されるように、巻線Ｗ１’は、導体３０１を絶縁材３００で被覆した絶縁被覆導体３０２を複数段階撚り合わせて構成されている。具体的には、巻線Ｗ１’は、絶縁被覆導体３０２を複数撚り合わせた一次素線３０３と、一次素線３０３を複数撚り合わせた二次素線３０４と、二次素線３０４を複数撚り合わせた三次素線３０５を含んで構成されている。なお、本例では、巻線Ｗ１’が絶縁被覆導体３０２を３段階撚り合わせた構造となっているが、三次素線３０５を複数撚り合わせた四次素線（図示しない）を含んでいてもよく、四次素線をさらに複数撚り合わせた五次素線（図示しない）を含んでいてもよい。なお、巻線Ｗ１’が三次素線３０５を含む場合は、二次素線３０４が巻線Ｗ１’の最外周を構成する素線に相当し、四次素線を含む場合は、三次素線３０５が巻線Ｗ１’の最外周を構成する素線に相当し、五次素線を含む場合は、四次素線が巻線Ｗ１’の最外周を構成する素線に相当することとなる。

このように構成される巻線Ｗ１は、巻線Ｗ１の断面の総面積の大きさが、複数の絶縁被覆導体３０２の１本あたりの断面積の大きさに対して２００倍以上となるような本数の絶縁被覆導体３０２から構成されると好ましい。この場合、巻線Ｗ１の最外周を構成する第一の部分４００と第二の部分４０１の素線間の間隔の差が、十分に大きくなり、鏡像効果による交流抵抗の増大をより一層抑制することができ、コイルＣ１のＱ値をより一層大幅に向上させることができる。

以上のように、本実施形態に係るコイルユニットＬｕ１は、巻線Ｗ１が、最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分４００と素線間の間隔が狭い第二の部分４０１を有し、第二の部分４０１は、第一の部分４００よりも磁性体Ｆ１の表面側に位置している。そのため、磁性体Ｆ１の鏡像効果によって生じる逆起電力に起因する交流抵抗の増大を最も効率的に抑制することができ、コイルユニットＬｕ１の低損失化を実現できる。また、本発明に係るコイルユニットＬｕ１は、コイルＣ１のインダクタンスを低下させず交流抵抗のみを抑制することができるため、コイルＣ１のＱ値を大幅に向上できる。その結果、伝送効率の高効率化を図ることができる。

（変形例）
続いて、図６および図７を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１の変形例に係るコイルユニットＬｕ２の構成について説明する。図６は、図２に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの断面図に相当する、変形例に係るコイルユニットの断面図である。図７ａは、変形例に係るコイルユニットにおいて、図６の矢印Ｃ方向から見た巻線の平面図である。図７ｂは、変形例に係るコイルユニットにおいて、図６の矢印Ｄ方向から見た巻線の平面図である。図７ｃは、変形例に係るコイルユニットにおいて、図６の矢印Ｅ方向から見た巻線の平面図である。図７ｄは、変形例に係るコイルユニットにおいて、図６の矢印Ｆ方向から見た巻線の平面図である。なお、本変形例に係るコイルユニットＬｕ２は、非接触電力伝送装置Ｓ１における送電コイルユニットＬｔｕおよび受電コイルユニットＬｒｕのいずれにも適用可能である。本変形例では、上述の好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１の磁性体Ｆ１、コイルＣ１に代えて、コイルユニットＬｕ２が磁性体Ｆ２、コイルＣ２を備えている点において、上述の好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１と相違する。すなわち、上述の好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１と本変形例に係るコイルユニットＬｕ２は、コイルのタイプが異なる。以下、上述の好適な実施形態と異なる点を中心に説明する。

コイルユニットＬｕ２は、図６に示されるように、磁性体Ｆ２と、コイルＣ２と、を有する。本変形例では、磁性体Ｆ２は、外形形状が略直方体形状を呈しており、その外表面として、対向する略長方形状の第１および第２の主面Ｆ２ａ、Ｆ２ｂと、対向する第１および第２の側面（図示しない）と、対向する第１および第２の端面Ｆ２ｃ、Ｆ２ｄと、を有する。第１および第２の側面は、第１および第２の主面Ｆ２ａ、Ｆ２ｂ間を連結するように第１および第２の主面Ｆ２ａ、Ｆ２ｂの長辺方向に伸びている。第１および第２の端面Ｆ２ｃ、Ｆ２ｄは、第１および第２の主面Ｆ２ａ、Ｆ２ｂ間を連結するように第１および第２の主面Ｆ２ａ、Ｆ２ｂの短辺方向に伸びている。また、コイルユニットＬｕ２を送電コイルユニットＬｔｕあるいは受電コイルユニットＬｒｕに適用した場合、磁性体Ｆ２の第１および第２の主面Ｆ２ａ、Ｆ２ｂの長辺方向が送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向と直交する方向に一致するように配置されることとなる。このような磁性体Ｆ２としては、比較的比透磁率の高い材料から構成されていると好ましく、例えばフェライトが挙げられる。なお、本変形例では、磁性体Ｆ２は、外形形状が略直方体形状を呈しているが、円筒状を呈していてもよい。

コイルＣ２は、螺旋状のソレノイド構造のコイルであり、磁性体Ｆ２の表面上に巻線Ｗ２を巻回して形成されている。本変形例では、コイルＣ２は、磁性体Ｆ２の第１および第２の主面Ｆ２ａ、Ｆ２ｂ上と第１および第２の側面上に巻線Ｗ２が巻回されている。具体的には、コイルＣ２は、磁性体Ｆ２の外表面を、第１の端面Ｆ２ｃと第２の端面Ｆ２ｄの対向方向を軸にして、螺旋状に周回するように巻回されている。つまり、磁性体Ｆ２は、コイルＣ２のコアとして機能することとなる。このような構成により、コイルＣ２の巻線Ｗ２を断面視した場合、磁性体Ｆ２の第１の主面Ｆ２ａ上に位置する巻線Ｗ２（図示上側）の外周面の一部が磁性体Ｆ２の第１の主面Ｆ２ａに近接し、巻線Ｗ２（図示上側）の外周面の一部（残部）が磁性体Ｆ２の第１の主面Ｆ２ａから遠ざかるように配置されることとなる。また、磁性体Ｆ２の第２の主面Ｆ２ｂ上に位置する巻線Ｗ２（図示下側）の外周面の一部が磁性体Ｆ２の第２の主面Ｆ２ｂに近接し、巻線Ｗ２（図示下側）の外周面の一部（残部）が磁性体Ｆ２の第２の主面Ｆ２ｂから遠ざかるように配置されることとなる。

巻線Ｗ２は、上述の好適な実施形態に係る巻線Ｗ１と同様、巻線Ｗ２の最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分４１０と素線間の間隔が狭い第二の部分４１１を有する。本変形例では、巻線Ｗ２の最外周を構成する素線は、一次素線３１３に相当する。第一の部分４１０は、図７ａおよび図７ｃに示されるように、巻線Ｗ２の最外周を構成する一次素線３１３間の間隔が広くなっている。一方、第二の部分４１１は、図７ｂおよび図７ｄに示されるように、巻線Ｗ２の最外周を構成する一次素線３１３間の間隔が狭くなっている。具体的には、図７ａおよび図７ｃにおいて、隣接する一次素線３１３の一方の一次素線３１３の幅に対する中心線４１５と他方の一次素線３１３の幅に対する中心線４１６に対して直交する方向にそれぞれの中心線を結ぶ線分４１７の長さが第一の部分４１０における一次素線３１３間の間隔となり、図７ｂおよび図７ｄにおいて、隣接する一次素線３１３の一方の一次素線３１３の幅に対する中心線４１５と他方の一次素線３１３の幅に対する中心線４１６に対して直交する方向にそれぞれの中心線を結ぶ線分４１８の長さが第二の部分４１１における一次素線３１３間の間隔となる。本変形例では、線分４１７の長さが線分４１８の長さよりも長くなっている。すなわち、第一の部分４１０における一次素線３１３間の間隔が第二の部分４１１における一次素線３１３間の間隔よりも広くなっている。そして、図６に示されるように、第二の部分４１１が、第一の部分４１０よりも磁性体Ｆ１の第１の主面Ｆ２ａおよび第２の主面Ｆ２ｂ側、すなわち磁性体Ｆ１の表面側に位置するように構成されている。

以上のように、本変形例に係るコイルユニットＬｕ２は、巻線Ｗ２が、最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分４１０と素線間の間隔が狭い第二の部分４１１を有し、第二の部分４１１は、第一の部分４１０よりも磁性体Ｆ２の表面側に位置している。そのため、磁性体Ｆ２の鏡像効果によって生じる逆起電力に起因する交流抵抗の増大を最も効率的に抑制することができ、コイルユニットＬｕ２の低損失化を実現できる。また、本変形例に係るコイルユニットＬｕ２は、コイルＣ２のインダクタンスを低下させず交流抵抗のみを抑制することができるため、コイルＣ２のＱ値を大幅に向上できる。その結果、伝送効率の高効率化を図ることができる。

以下、上述の実施形態によって、コイルに磁性体を近接配置した場合の交流抵抗の増大を抑制してコイルのＱ値を大幅に向上させることができることを実施例１、２と比較例１〜４とによって具体的に示す。

実施例１として、上述した好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１を用いた。実施例２として、上述した好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１の変形例に係るコイルユニットＬｕ２を用いた。比較例１として、実施例１と特性を比較するために、上述した好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１において、巻線Ｗ１の最外周を構成する素線間の間隔が均一であるコイルユニットを用いた。比較例２として、実施例１と特性を比較するために、上述した好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１において、磁性体Ｆ１を取り除いたコイルユニットを用いた。比較例３として、実施例２と特性を比較するために、上述した変形例に係るコイルユニットＬｕ２において、巻線Ｗ２の最外周を構成する素線間の間隔が均一であるコイルユニットを用いた。比較例４として、実施例２と特性を比較するために、変形例に係るコイルユニットＬｕ２において、磁性体Ｆ２を取り除いたコイルユニットを用いた。

まず、図８を参照して、比較例１に係るコイルユニットにおける巻線Ｗ１０の構成について説明する。図８ａは、図２の矢印Ａ方向から見た巻線の平面図に相当する、比較例１に係るコイルユニットの巻線の平面図である。図８ｂは、図２の矢印Ｂ方向から見た巻線の平面図に相当する、比較例１に係るコイルユニットの巻線の平面図である。比較例１に係るコイルユニットにおける巻線Ｗ１０は、図８ａおよび図８ｂに示されるように、巻線Ｗ１０の最外周を構成する素線間の間隔が均一となっている。図８ａにおいて、隣接する一次素線７０３の一方の一次素線７０３の幅に対する中心線７０５と他方の一次素線７０３の幅に対する中心線７０６に対して直交する方向にそれぞれの中心線を結ぶ線分７０７の長さと、図８ｂにおいて、一次素線７０３の一方の一次素線７０３の幅に対する中心線７０５と他方の一次素線７０３の幅に対する中心線７０６に対して直交する方向にそれぞれの中心線を結ぶ線分７０８の長さが略等しくなっている。すなわち、比較例１に係るコイルユニットは、上述した好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１において、巻線Ｗ１の最外周を構成する素線間の間隔を均一にしたものである。

ここで、実施例１、２および比較例１〜４の巻線は、銅製で直径０．０５ｍｍの導体をウレタン樹脂で被覆した絶縁被覆導体を８４本撚り合わせて一次素線を形成し、この一次素線を１４本撚り合わせて二次素線を形成した。また、実施例１、２の巻線における第一の部分を４ｍｍ、第二の部分を２ｍｍとし、比較例１、３の巻線の最外周を構成する素線間の間隔を全て３ｍｍとした。さらに、実施例１と比較例１における磁性体は、長さ２００ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ６ｍｍのフェライト（比透磁率３０００程度）を用い、巻線の巻数（ターン数）は１１ターンとした。またさらには、実施例２と比較例３における磁性体は、長さ２７０ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ６ｍｍのフェライト（比透磁率３０００程度）を用い、巻線の巻数（ターン数）は２２ターンとした。

続いて、実施例１、２と比較例１〜４において、インピーダンスアナライザを用いてコイルユニットのインダクタンスＬと等価直列抵抗値Ｒｓを測定した。また、非接触電力伝送の伝送周波数を８５ｋＨｚとし、測定したインダクタンスＬと等価直列抵抗値ＲｓからＱ値を求めた。

実施例１と比較例１、２におけるインダクタンスＬの測定結果を図９に示す。また、実施例１と比較例１、２における等価直列抵抗値Ｒｓの測定結果を図１０に示す。またさらには、実施例１と比較例１、２におけるＱ値の測定結果を図１１に示す。図９〜図１１に示されるように、実施例１は、比較例１に比べて、インダクタンスＬの値がほぼ同等である一方、等価直列抵抗値Ｒｓの値が顕著に低く、その結果、Ｑ値が著しく高い。また実施例１は、比較例２に比べて、磁性体を使用したことによりインダクタンスＬの値が増加している一方、等価直列抵抗値Ｒｓは低く、その結果、Ｑ値が著しく高い。すなわち、実施例１では、コイルＣの交流抵抗の増大が抑制され、コイルＣのＱ値が大幅に向上されていることが確認された。

実施例２と比較例３、４におけるインダクタンスＬの測定結果を図１２に示す。また、実施例２と比較例３、４における等価直列抵抗値Ｒｓの測定結果を図１３に示す。またさらには、実施例２と比較例３、４におけるＱ値の測定結果を図１４に示す。図１２〜図１４に示されるように、実施例２は、比較例３に比べて、インダクタンスＬの値がほぼ同等である一方、等価直列抵抗値Ｒｓの値が顕著に低く、その結果、Ｑ値が著しく高い。また実施例２は、比較例４に比べて、磁性体を使用したことによりインダクタンスＬの値が増加している一方、等価直列抵抗値Ｒｓは低く、その結果、Ｑ値が著しく高い。すなわち、実施例２では、コイルＣの交流抵抗の増大が抑制され、コイルＣのＱ値が大幅に向上されていることが確認された。

すなわち、本実施例および比較例から、巻線の最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分と素線間の間隔が狭い第二の部分を有し、第二の部分は、第一の部分よりも磁性体の表面側に位置している実施例１および実施例２の構成は、交流抵抗の増大を最も効率的に抑制することができ、コイルユニットの低損失化が図れることが確認できた。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

本発明に係るコイルユニットは、電気自動車（ＢＥＶ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの車両への非接触電力伝送システムにおけるコイルユニットに幅広く活用が可能である。

Ｓ１…非接触電力伝送装置、Ｕｔ…送電装置、ＰＷ…電源、ＩＮＶ…インバータ、Ｒｔｕ…送電側共振部、Ｌｔｕ…送電側コイルユニット、Ｃｔｕ…送電側共振コンデンサユニット、Ｕｒ…受電装置、ＤＢ…整流回路、Ｒ…負荷、Ｒｒｕ…受電側共振部、Ｌｒｕ…受電側コイルユニット、Ｃｒｕ…受電側共振コンデンサユニット、Ｌｕ１，Ｌｕ２…コイルユニット、Ｃ１，Ｃ２…コイル、Ｆ１，Ｆ２…磁性体、Ｆ１ａ，Ｆ２ａ…磁性体の第１の主面、Ｆ１ｂ，Ｆ２ｂ…磁性体の第２の主面、Ｆ１ｃ，Ｆ２ｃ…磁性体の第１の端面、Ｆ１ｄ，Ｆ２ｄ…磁性体の第２の端面、Ｗ１，Ｗ１’，Ｗ２，Ｗ１０…巻線、３００…絶縁被覆、３０１…導体、３０２…絶縁被覆導体、３０３，３１３，７０３…一次素線、３０４…二次素線、３０５…三次素線、４０７，４０８，４１７，４１８，７０７，７０８…素線間の間隔、４００，４１０…素線間の間隔が広い第一の部分、４０１，４１１…素線間の間隔が狭い第二の部分、４０５，４０６，４１５，４１６，７０５，７０６…中心線。

Claims (2)

1. 棒状または板状の磁性体と
   前記磁性体の表面上に巻回された巻線と、を備え、
   前記巻線は、絶縁被覆導体を複数撚り合わせた一次素線と、前記一次素線を複数撚り合わせた二次素線と、を含んで構成されるとともに、前記巻線の最外周を構成する素線間の間隔が広い第一の部分と素線間の間隔が狭い第二の部分を有し、
   前記第二の部分は、前記第一の部分よりも前記磁性体の表面側に位置していることを特徴とするコイルユニット。
2. 前記巻線の断面の総面積の大きさは、前記複数の絶縁被覆導体の１本あたりの断面積の大きさに対して２００倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
   
   

Images