JP2016059141A - 非接触給電装置の異物除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動力源なしに異物除去ができる非接触給電装置の異物除去装置を提供する。【解決手段】送電側パッド３の上面に沿って移動可能な導電性かつ棒状のワイパー部材１２と、送電コイル３ａの交流磁界によって単相交流を発生させる環状コイル１４と、ワイパー部材１２を上面に沿って案内するガイド装置１８と、通電制御装置２０とを有する。通電制御装置２０は、環状コイル１４で発生した単相交流をワイパー部材１２に直接通電してこれを送電側パッド３の上面に沿って移動させる。【選択図】図２

Description

本発明は、送電側から受電側に非接触で給電する非接触給電装置の異物除去装置に関する。

近年、電動モータと内燃機関を備えたハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が実用化されている。また、電動モータのみを備えた電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）も実用化されている。

電気自動車などに非接触給電を行う非接触給電装置は、送電側の１次コイルと受電側の２次コイルとを磁気結合させて送電側から受電側に非接触で電力を伝送するものである。

非接触給電装置は、サーキュラー型とソレノイド型の型式に大別される。
サーキュラー型の非接触給電装置は、１次コイルと２次コイルの軸線がそれぞれ鉛直に位置する。一方、ソレノイド型の非接触給電装置は、１次コイルと２次コイルの軸線が互いに平行に位置する。

また、非接触給電の方式は、例えば電磁誘導方式、電波方式、磁界共鳴方式などが知られている。
電磁誘導方式は、２つの隣接するコイルの一方に電流を流すと発生する磁束を媒体として他方のコイルに起電力が発生する電磁誘導を用いたものである。
電波方式は、電流を電磁波に変換しアンテナを介して送受信するものである。
磁界共鳴方式は、電磁誘導方式と同様に磁束を媒体とするが、電気回路の共振現象を積極的に利用し、コイルに流れる誘導電流を増幅するものである。

上述した非接触給電装置において、導電性異物（例えば金属）が１次コイルと２次コイルの間に存在する場合、異物に時間的に変動する磁束が鎖交することで渦電流が発生し、ジュール発熱により異物の温度が上昇する。
そのため、このような異物を検出する非接触給電装置が、例えば特許文献１に開示されている。
また、かかる異物を除去する装置が、例えば特許文献２、３に開示されている。

特許文献１の非接触給電装置は、上述した電磁誘導方式の非接触給電装置であり、第１のコイルと第２のコイルとの間に第３のコイルを設け、第３のコイルに生じる誘導電圧に基づき、第１のコイルと第２のコイルとの間の異物を検出するものである。

特許文献２の移動体用非接触給電装置は、例えば、異物検出器から異物検出信号が入力されると、モータが２本のワイパー部材をそれぞれ９０°回転させて、送電コイルのケース上の異物を除去するものである。

特開２０１２−２４９４０１号公報 特開２０１３−５９２３９号公報

電気自動車などに非接触給電を行う場合、充電時間は長時間（例えば６〜８時間）となる。そのため、電気自動車が停止し充電を開始した後も、常時異物の有無を監視し、異物を検出したらそれを除去することが望ましい。

一方、パッド間に異物が侵入する頻度は一般に低く、かつ充電時間は長時間となるので、充電中の待機電力が少なく、かつ動力源なしに異物除去ができることが望ましい。
しかし、特許文献２の移動体用非接触給電装置は、例えば２本のワイパー部材を駆動する駆動ローラの動力源が必要となる問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、動力源なしに異物除去ができる非接触給電装置の異物除去装置を提供することにある。

本発明によれば、送電コイルから受電コイルに非接触で給電する非接触給電装置の異物除去装置であって、
前記送電コイルを内蔵する送電側パッドの上面に沿って移動可能な導電性かつ棒状のワイパー部材と、
前記ワイパー部材を前記上面に沿って案内するガイド装置と、
前記送電側パッド内に設置され、前記送電コイルの交流磁界によって単相交流を発生させる環状コイルと、
前記環状コイルで発生した単相交流を前記ワイパー部材に直接通電してこれを前記上面に沿って移動させる通電制御装置と、を有する、ことを特徴とする非接触給電装置の異物除去装置が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記送電側パッドの前記上面は水平であり、
前記ワイパー部材は、前記送電側パッドの前記上面を跨いで水平に延び、その軸線に垂直かつ水平に往復動可能であり、
前記ガイド装置は、前記ワイパー部材の両端部を支持し、該両端部の往復動を案内する直動ガイドと、前記両端部に設けられ前記ワイパー部材の軸線方向に前記単相交流を通電する通電端子と、を有する。

前記通電制御装置は、交流で前記送電側パッドと同期した前記単相交流を前記ワイパー部材に通電し、かつ同相と逆相を切り替える。

本発明の別の実施形態によれば、前記送電側パッドの前記上面は中心部が高い切頭円錐形であり、
前記ワイパー部材は、前記送電側パッドの前記中心部から切頭円錐形の稜線に沿って外方に延び、前記中心部を中心に水平回転可能であり、
前記ガイド装置は、前記ワイパー部材の前記中心部を水平回転可能に案内する回転ガイドと、前記ワイパー部材の両端部から軸線方向に前記単相交流を通電する通電端子と、を有する。

本発明の別の実施形態によれば、前記送電側パッドの前記上面は水平であり、
前記ワイパー部材は、前記送電側パッドの中心部から切頭円錐形の稜線に沿って螺旋状に外方に延び、前記中心部を中心に水平回転可能であり、
前記ガイド装置は、前記ワイパー部材の前記中心部を水平回転可能に案内する回転ガイドと、前記ワイパー部材の両端部から軸線方向に前記単相交流を通電する通電端子とを有する。

本発明の実施形態によれば、前記送電側パッドの前記上面に位置する異物を検知する異物検出器を備え、
前記通電制御装置は、前記異物検出器により異物を検知したときに、前記単相交流を前記ワイパー部材に通電する。

前記異物検出器は、
前記送電コイルの電圧又はインピーダンスの変化、前記送電側パッド内の磁界変化、又は異物の発熱による温度変化を検出する、ことが好ましい。

上記本発明によれば、非接触給電の際に送電側パッド内に発生する交流磁界によって環状コイルで単相交流を発生させ、この単相交流を導電性かつ棒状のワイパー部材に直接通電して、ワイパー部材を送電側パッドの上面に沿って移動させることができる。
従って、動力源なしに異物除去ができる。

本発明の異物検出装置を備えた非接触給電装置の構成図である。 本発明の異物除去装置の第１実施形態図である。 フレミングの左手の法則を示す原理図である。 通電制御装置の第１実施形態を示す図である。 通電制御装置の第２実施形態を示す図である。 本発明の異物除去装置の第２実施形態図である。 本発明の異物除去装置の第３実施形態図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の異物除去装置１０を備えた非接触給電装置２の構成図であり、（Ａ）は使用状態図、（Ｂ）は非接触給電装置２のブロック回路図である。
この図において、非接触給電装置２は、送電コイル３ａを内蔵する送電側パッド３から受電コイル４ａを内蔵する受電側パッド４に電磁誘導によって非接触に給電を行う。

図１において、１は駐車スペース、３は送電側パッド、４は受電側パッド、５は受電側整流器、６は車載バッテリである。
非接触給電装置２は、交流電源２ａ、送電側整流器２ｂ、インバータ２ｃ及び送電コイル３ａを含み、送電コイル３ａに高周波に変換した電力を供給する。
送電コイル３ａは、この電力により高周波の磁界を発生させる。この磁界により受電コイル４ａに高周波の電力が発生する。この電力は受電側整流器５で直流に変換され、車載バッテリ６に充電される。
本発明の異物除去装置１０は、上述した非接触給電装置２の異物除去装置である。

図２は、本発明の異物除去装置１０の第１実施形態図である。この図において、（Ａ）は送電側パッド３の平面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。
図２において、本発明の異物除去装置１０は、ワイパー部材１２、環状コイル１４、ガイド装置１８、及び通電制御装置２０を備える。

ワイパー部材１２は、導電性材料（例えばアルミニウム又はステンレス）からなり、送電コイル３ａを内蔵する送電側パッド３の上面に沿って移動可能に構成されている。
この例において、ワイパー部材１２は、棒状であり、送電側パッド３の上面を跨いで水平に延び、その軸線に垂直かつ水平に往復動可能に構成されている。
また、ワイパー部材１２には、送電側パッド３の上面に近接又は接触するブレード１３が取り付けられている。ブレード１３は、可撓性かつ柔軟性のあるプラスチック又はゴムのシートであり、送電側パッド３の上面に沿って近接又は接触しながら移動するようになっている。

この例において、送電側パッド３は、例えば平面視５０ｃｍ×５０ｃｍの矩形形状であり、厚さが５〜１０ｃｍであり、その上面は水平である。

環状コイル１４は、送電側パッド３内に設置された１又は複数のコイルであり、送電コイル３ａの交流磁界によって単相交流を発生させる。
なお、環状コイル１４はそれを鎖交する磁束の向きが常に同じ方向となる領域を選んで設置される。例えば、図２では環状コイル１４は送電側パッド３の全域を囲った矩形形状となっているが、図２で左側半分が紙面上向きの磁束、右側半分が紙面下向きの磁束となっている場合は、片側半分のみを囲った環状コイル１４とするか、複数の環状コイル１４を設置する場合は、環状コイル１４の巻く方向を鎖交する磁束の向きに合わせて逆転させ、環状コイル１４内に発生する誘導電流の向きを常に同方向となるようにする。環状コイル１４の設置の制約によっては、得られる誘導電流は小さくなるが、逆向きの鎖交磁束が一部混在している領域を囲った環状コイル１４としてもよい。

ガイド装置１８は、ワイパー部材１２を送電側パッド３の上面に沿って案内する。
この例において、ガイド装置１８は、直動ガイド１８ａと第１通電端子１９ａを有する。
直動ガイド１８ａは、ワイパー部材１２の両端部を支持し、両端部の往復動を案内する。
第１通電端子１９ａは、ワイパー部材１２の両端部に設けられワイパー部材１２の軸線方向に単相交流を通電する。

図３は、フレミングの左手の法則を示す原理図である。
この図に示すように、磁束密度Ｂに直交する方向に電流Ｉが流れる場合、磁束密度Ｂ及び電流Ｉに直交する方向に力Ｆが作用する。
この場合、単位長さ当たりの力Ｆは、Ｆ＝Ｉ×Ｂ・・・（１）で求めることができる。

図２の例において、環状コイル１４で発生する単相交流の電流Ｉは、その数及び巻数を変更することで任意に設定することができる。
また、送電側パッド３内の磁束密度Ｂは、例えば１テスラ以下である。
従って、ワイパー部材１２には、単位長さ当たり式（１）で示す力Ｆが、送電側パッド３の上面に沿って作用する。

また、送電側パッド３の交流磁界は、例えば１００ｋＨｚを用いると、単相交流の電流Ｉも同じ周波数となる。
従って、フレミングの左手の法則から、ワイパー部材１２には、その軸線に直交しかつ水平方向の単一方向のみに力Ｆが作用する。

通電制御装置２０は、環状コイル１４で発生した単相交流をワイパー部材１２に直接通電してワイパー部材１２を送電側パッド３の上面に沿って移動させる。

図４は、通電制御装置２０の第１実施形態を示す図である。
この図において、通電制御装置２０は、１対の母線２１ａ，２１ｂ、検出器２２、接点２３、及び制御器２９を有する。

１対の母線２１ａ，２１ｂは、環状コイル１４とワイパー部材１２を接続し、環状コイル１４で発生した単相交流をワイパー部材１２に供給する。

検出器２２は、１対の母線２１ａ，２１ｂ間に発生する電圧又はインピーダンスを検出する。
接点２３は、好ましくは常時開のリレー接点であり、検出器２２とワイパー部材１２との間の母線２１ａ，２１ｂの一方又は両方に設けられその間を切断可能に構成されている。

制御器２９は、例えばマイクロコンピュータであり、検出器２２で検出した電圧又はインピーダンスの変化から、送電側パッド３の上面の異物９を検知し、接点２３を開から閉に切り替える。

上述した通電制御装置２０の構成により、接点２３が開（例えば、常時開）の状態で、後述する異物検出器１６を用いることなく異物９を検出できるので、充電中の待機電力が少なくできる。また、環状コイル１４で発生した単相交流によりワイパー部材１２を直接作動させるので、動力源なしに異物除去ができる。

通電制御装置２０によるワイパー部材１２の作動は、シート上の異物９が一端側に落下するのに必要な時間又は距離に制限すること、及び接点２３が開の状態であっても必要以上にワイパー自身の内部に渦電流が発生しないように磁束密度の小さい位置に退避させておくことが好ましい。
この構成により、充電時間が長時間（例えば６〜８時間）であっても、ワイパー部材１２の作動時間を短くすることができる。

なおこの例では、通電制御装置２０は、交流で送電側パッド３と同期した電流Ｉをワイパー部材１２に通電し、かつ同相と逆相を切り替えるようになっている。この構成により、ワイパー部材１２に作用する力Ｆの方向を逆転させることができ、ワイパー部材１２を送電側パッド３の上面に沿って往復動させることができる。
なおこの構成は、必須ではなく、同相と逆相の切り替えを省略し、バネで復帰するようにしてもよい。

また、環状コイル１４とワイパー部材１２の間に整流回路を設けて直流に変換してもよい。この場合、ワイパー部材１２は送電側パッド３の交流磁界の周波数で振動する。
さらに、通電制御装置２０に共振回路を設けて、送電側パッド３の交流磁界と共振するようにしてもよい。かかる共振回路により、送電側パッド３の交流磁界の磁束密度Ｂが小さい場合でも、大きな電流Ｉを発生させることができる。

図２において、本発明の異物除去装置１０は、さらに、異物検出器１６を備える。

異物検出器１６は、送電側パッド３内に設置され、送電側パッド３の上面に位置する異物９を検知する。
異物検出器１６は、例えば磁気プローブであり、送電側パッド３内の磁界変化から異物９を検知する。なお、異物検出器１６は、この例に限定されず、例えば送電コイル３ａの電圧又はインピーダンスの変化を検出する電圧検出器又はインピーダンス検出器、或いは異物９の発熱による温度変化を検出するサーミスタであってもよい。

図５は、通電制御装置２０の第２実施形態を示す図である。
この図において、通電制御装置２０は、１対の母線２１ａ，２１ｂ、接点２３、及び制御器２９を有する。
図４における検出器２２は、この例では省略されている。
その他の構成は、図４と同様である。

上述した通電制御装置２０の構成により、接点２３が開（例えば、常時開）の状態で、異物検出器１６により異物９を検出できるので、充電中の待機電力を少なくできる。また、環状コイル１４の他に専用の異物検出器１６を備えるので、異物検出の精度を高めることができる。

図６は、本発明の異物除去装置１０の第２実施形態図である。この図において、（Ａ）は送電側パッド３の平面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。なお、この実施形態図では環状コイル１４は円形であるが、磁束密度分布に合わせて矩形などにしてもよい。
図６において、送電側パッド３の上面は中心部が高い切頭円錐形である。
またワイパー部材１２は、送電側パッド３の中心部から切頭円錐形の稜線に沿って外方に延び、中心部を中心に水平回転可能に構成されている。切頭円錐形の稜線の勾配は、異物９が円滑に外方に移動する角度に設定するのがよい。

さらに、ガイド装置１８は、回転ガイド１８ｂと第２通電端子１９ｂを有する。
回転ガイド１８ｂは、ワイパー部材１２の中心部を回転可能に支持し、ワイパー部材１２の水平回転を案内する。
第２通電端子１９ｂは、ワイパー部材１２の両端部から軸線方向に単相交流を通電する。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

異物検出器１６を用いない場合、通電制御装置２０の構成は図４の第１実施形態と同一である。また、異物検出器１６を用いる場合、通電制御装置２０の構成は図５の第２実施形態と同一である。
なお、この例では、同相と逆相の切り替えは不要である。

図６（Ａ）（Ｂ）の構成により、第２通電端子１９ｂを介してワイパー部材１２の両端から軸線方向に通電することができる。従って、フレミングの左手の法則により、ワイパー部材１２に力Ｆを作用させてワイパー部材１２を送電側パッド３の上面に沿って一方向に回転させることができる。

この例において、ワイパー部材１２は、半径方向に直線状に延びる棒部材である。ワイパー部材１２の回転速度は任意に設定できるのがよい。
この構成により送電側パッド３の上面が切頭円錐形であるので、ワイパー部材１２を送電側パッド３の上面に沿って回転させることにより、異物９を上面の傾斜に沿って外方に移動させ外方端に落下させて除去することができる。

図７は、本発明の異物除去装置１０の第３実施形態図である。この図において、（Ａ）は送電側パッド３の平面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。
図７において、送電側パッド３の上面は水平である。
またワイパー部材１２は、送電側パッド３の中心部から送電側パッド３の上面に沿って螺旋状に外方に延び、中心部を中心に水平回転可能に構成されている。この螺旋状の形状は、水平に回転するワイパー部材１２が異物９に作用する力Ｆが外方に向くように設定されている。
その他の構成は、第２実施形態と同様である。

図７（Ａ）（Ｂ）の構成により、第２通電端子１９ｂを介してワイパー部材１２の両端から軸線方向に通電することができる。従って、フレミングの左手の法則により、ワイパー部材１２に力Ｆを作用させてワイパー部材１２を送電側パッド３の上面に沿って一方向に回転させることができる。

この構成により、ワイパー部材１２の螺旋状の形状が、異物９に作用する力Ｆが外方に向くように設定されているので、ワイパー部材１２を回転させることにより、異物９を外方に水平移動させて外方端から落下させて除去することができる。

上述した本発明によれば、非接触給電の際に送電側パッド３内に発生する交流磁界によって環状コイル１４で単相交流を発生させることができる。また、発生した単相交流を導電性のワイパー部材１２に直接通電して、ワイパー部材１２を送電側パッド３の上面に沿って移動することができる。
従って、動力源なしに異物除去ができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。もちろん、磁界共鳴方式にかぎらず、電磁誘導方式等の他の方式も含むものである。

Ｂ 磁束密度、Ｆ 力、Ｉ 電流、１ 駐車スペース、２ 非接触給電装置、２ａ 交流電源、２ｂ 送電側整流器、２ｃ インバータ、３ 送電側パッド、３ａ 送電コイル、４ 受電側パッド、４ａ 受電コイル、５ 受電側整流器、６ 車載バッテリ、９ 異物、１０ 異物除去装置、１２ ワイパー部材、１３ ブレード、１４ 環状コイル、１６ 異物検出器（磁気プローブ）、１８ ガイド装置、１８ａ 直動ガイド、１８ｂ 回転ガイド、１９ａ 第１通電端子、１９ｂ 第２通電端子、２０ 通電制御装置、２１ａ，２１ｂ 母線、２２ 検出器、２３ 接点、２９ 制御器

Claims (7)

1. 送電コイルから受電コイルに非接触で給電する非接触給電装置の異物除去装置であって、
   前記送電コイルを内蔵する送電側パッドの上面に沿って移動可能な導電性かつ棒状のワイパー部材と、
   前記ワイパー部材を前記上面に沿って案内するガイド装置と、
   前記送電側パッド内に設置され、前記送電コイルの交流磁界によって単相交流を発生させる環状コイルと、
   前記環状コイルで発生した単相交流を前記ワイパー部材に直接通電してこれを前記上面に沿って移動させる通電制御装置と、を有する、ことを特徴とする非接触給電装置の異物除去装置。
2. 前記送電側パッドの前記上面は水平であり、
   前記ワイパー部材は、前記送電側パッドの前記上面を跨いで水平に延び、その軸線に垂直かつ水平に往復動可能であり、
   前記ガイド装置は、前記ワイパー部材の両端部を支持し、該両端部の往復動を案内する直動ガイドと、前記両端部に設けられ前記ワイパー部材の軸線方向に前記単相交流を通電する通電端子と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置の異物除去装置。
3. 前記通電制御装置は、交流で前記送電側パッドと同期した前記単相交流を前記ワイパー部材に通電し、かつ同相と逆相を切り替える、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置の異物除去装置。
4. 前記送電側パッドの前記上面は中心部が高い切頭円錐形であり、
   前記ワイパー部材は、前記送電側パッドの前記中心部から切頭円錐形の稜線に沿って外方に延び、前記中心部を中心に水平回転可能であり、
   前記ガイド装置は、前記ワイパー部材の前記中心部を水平回転可能に案内する回転ガイドと、前記ワイパー部材の両端部から軸線方向に前記単相交流を通電する通電端子と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置の異物除去装置。
5. 前記送電側パッドの前記上面は水平であり、
   前記ワイパー部材は、前記送電側パッドの中心部から切頭円錐形の稜線に沿って螺旋状に外方に延び、前記中心部を中心に水平回転可能であり、
   前記ガイド装置は、前記ワイパー部材の前記中心部を水平回転可能に案内する回転ガイドと、前記ワイパー部材の両端部から軸線方向に前記単相交流を通電する通電端子とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置の異物除去装置。
6. 前記送電側パッドの前記上面に位置する異物を検知する異物検出器を備え、
   前記通電制御装置は、前記異物検出器により異物を検知したときに、前記単相交流を前記ワイパー部材に通電する、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置の異物除去装置。
7. 前記異物検出器は、
   前記送電コイルの電圧又はインピーダンスの変化、前記送電側パッド内の磁界変化、又は異物の発熱による温度変化を検出する、ことを特徴とする請求項６に記載の非接触給電装置の異物除去装置。

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