JP2016134512A - コイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】二段巻きされた平面コイルを備えたコイルユニットにおいて、コイル線間で放電が生じることが抑制されたコイルユニットを提供する。【解決手段】コイルユニットは、巻回軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を巻回すると共に、一端から他端に向かって巻き数が増えるにつれて巻回軸Ｏ１に近づくようにコイル線３０を巻回して形成されたコイルを含むコイルユニットであって、コイルは、下層コイル部３４と、下層コイル部３４の上面に配置された上層コイル部３５とを含み、コイル線３０の延びる方向に対して垂直な方向でコイルを断面視すると、コイルの一端から他端に向かうにつれて、コイル線３０は、上層コイル部３５と下層コイル部３４とを交互に移動するように巻回する。【選択図】図４

Description

本発明は、非接触で電力伝送する際に用いられるコイルユニットに関する。

下記特許文献１〜５にも記載されているように、送電側のコイルユニットから受電側のコイルユニットに電力を送電する非接触電力送電システムが従来から提案されている。

特開２０１３−８０７８５号公報に記載されたコイルユニットは、渦巻型の平面コイルが搭載されており、平面コイルの巻回中心線は上下方向に延びるように配置されている。

特開２０１３−１１８７０８号公報に記載されたコイルユニットにおいても、平面コイルが採用されている。

特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報 特開２０１３−８０７８５号公報 特開２０１３−１１８７０８号公報

ここで、コイルユニット間の電力伝送効率の向上を図るため、コイルのインダクタンスを大きくすることが考えられる。しかし、特開２０１３−８０７８５号公報などに記載されたコイルは、一段方式の平面コイルが採用されている。このため、単純にコイルを大きくすると、コイルユニットの大きさが大きくなる。

そこで、発明者等は、平面コイルを二段にすることでコイルユニットの小型化を検討した。たとえば、一段目のコイルを外側から内側に向けて巻回して、その後、二段目のコイルを内側から外側に向けて巻回することが考えられる。そして、一段目のコイル部と、二段目のコイル部とが積層された積層コイルを形成する。

ここで、一般に、電力伝送時に、コイルの両端の電圧差は大きくなる。そのため、上記のようにコイルを巻回したのでは、一段目の巻き始めの始端側と、二段目の終端側とが積層方向に対向することになり、一段目の始端側と二段目の終端側との間で放電が生じるおそれがある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、二段巻きされた平面コイルを備えたコイルユニットにおいて、コイル線間で放電が生じることが抑制されたコイルユニットを提供することである。

本発明に係るコイルユニットは、巻回軸の周囲を取り囲むようにコイル線を巻回すると共に、一端から他端に向かって巻き数が増えるにつれて巻回軸に近づくようにコイル線を巻回して形成されたコイルを含むコイルユニットである。上記コイルは、下層コイル部と、下層コイル部の上面に配置された上層コイル部とを含む。上記コイル線の延びる方向に対して垂直な方向でコイルを断面視すると、コイルの一端から他端に向かうにつれて、コイル線は、上層コイル部と下層コイル部とを交互に移動するように巻回される。

上記のように構成されたコイルユニットにおいて、上層コイル部と下層コイル部とを交互に巻回するように形成されているので、上層コイル部と下層コイル部とのうち、上下方向に隣接する部分の電位差を小さく抑えることができる。これにより、上層コイル部と下層コイル部との間で放電が生じることを抑制することができる。

本発明に係るコイルユニットによれば、上層コイル部と下層コイル部とのうち、上下方向に隣接する部分の電位差を小さく抑えることができ、上層コイル部と下層コイル部との間で放電が生じることを抑制することができる。

非接触充電システム１を模式的に示す模式図である。 非接触充電システム１を模式的に示す回路図である。 コイルユニット３を示す分解斜視図である。 図３に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図であり、コイル線３０の延びる方向に対して垂直な方向で断面視した断面図である。 コイルユニット５を示す分解斜視図である。 図５に示すＶＩ−ＶＩ線における断面図であり、コイル線６９が延びる方向に対して垂直な方向で断面視した断面図である。

図１は、非接触充電システム１を模式的に示す模式図であり、図２は、非接触充電システム１を模式的に示す回路図である。図１および図２に示すように、非接触充電システム１は、車両２に搭載された受電ユニット４と、受電ユニット４に非接触で電力を送電するコイルユニット３とを備える。

受電ユニット４は、コイルユニット３から送電される電力を受電するコイルユニット５と、コイルユニット５が受電した交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を調整する整流器６と、整流器６から供給される直流電力を蓄電するバッテリ７とを含む。

バッテリ７に蓄電された電力は、図示しない駆動用モータなどに供給され、駆動用モータは車輪を駆動する。

コイルユニット５は、整流器６に接続された受電コイル８およびコンデンサ９を含み、受電コイル８およびコンデンサ９によって直列ＬＣ共振回路が形成されている。

コイルユニット３は、電源１０に接続された周波数変換器１１と、周波数変換器１１に接続された送電コイル１２およびコンデンサ１３とを含む。

周波数変換器１１は、電源１０から供給される交流電力の周波数を調整して送電コイル１２およびコンデンサ１３に供給すると共に、送電コイル１２およびコンデンサ１３に供給する電圧を調整する。送電コイル１２およびコンデンサ１３によって直列ＬＣ共振回路が形成されている。

送電コイル１２およびコンデンサ１３によって形成された共振回路の共振周波数と、受電コイル８およびコンデンサ９によって形成された共振回路の共振周波数とは、一致または実質的に一致するように形成されている。

送電コイル１２およびコンデンサ１３によって形成された共振回路のＱ値と、受電コイル８およびコンデンサ９によって形成された共振回路のＱ値は、いずれも、１００以上である。

図３は、コイルユニット３を示す分解斜視図であり、コイルユニット３は、ケース２０と、ケース２０内に収容された送電コイル１２およびコンデンサ１３と、ケース２０内に収容されると共に送電コイル１２が装着されたフェライト２１と、ケース２０内に収容された周波数変換器１１とを含む。

ケース２０は、ベース板２２と、ベース板２２に設けられた仕切板２３と、ベース板２２を覆うように設けられた蓋２４とを含む。蓋２４は、樹脂蓋２５および金属蓋２６を含み、樹脂蓋２５がベース板２２に装着されることで、送電コイル１２、コンデンサ１３およびフェライト２１がケース２０内に収容される空間が形成される。金属蓋２６がベース板２２に装着されることで、周波数変換器１１がケース２０内に収容される空間が形成される。

仕切板２３は、ケース２０内の空間を周波数変換器１１を収容する空間と、送電コイル１２などを収容する空間とに区画する。

金属蓋２６は、周波数変換器１１からのノイズが外部に漏れることを抑制する。また、金属蓋２６は、車両がコイルユニット３を踏みつけたときなどにおいて、外力から周波数変換器１１を保護する。なお、周波数変換器１１は、複数の高電圧素子２９によって形成されている。

樹脂蓋２５は、電力送電時に、送電コイル１２の周囲に形成される電磁界を透過することができる材料によって形成されている。

フェライト２１は、複数のフェライトコアを環状に配置して形成された外周環状コア２７と、外周環状コア２７の内周縁部上に配置された中央コア２８とを含む。中央コア２８は、複数の分割フェライトを含み、中央コア２８は外周環状コア２７から上方に突出するように形成されている。中央コア２８とベース板２２との間には空間が形成されており、この空間内にコンデンサ１３が配置されている。

送電コイル１２は、外周環状コア２７の上面上に配置されると共に、中央コア２８の周囲を取り囲むようにコイル線３０を巻回して形成されている。

送電コイル１２の一端に周波数変換器１１に接続される接続線３１が接続されており、送電コイル１２の他端にはコンデンサ１３に接続される接続線３２が接続されている。また、コンデンサ１３にも周波数変換器１１に接続される接続線３３が接続されている。

図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図であり、コイル線３０の延びる方向に対して垂直な方向で断面視した断面図である。この図４において、送電コイル１２は、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むように形成されており、送電コイル１２は、外周環状コア２７上に配置された下層コイル部３４と、この下層コイル部３４上に配置された上層コイル部３５とを含む。

送電コイル１２の端部３６に接続線３１が接続されており、送電コイル１２の他方の端部３７に接続線３２が接続されている。

送電コイル１２は、端部３６から端部３７に向かって巻き数が増えるにつれて、中心軸Ｏ１に近づくようにコイル線３０を巻回して形成されている。そして、送電コイル１２は、端部３６から端部３７に向かうにつれて、下層コイル部３４と上層コイル部３５とを交互に移動するように巻回されている。

具体的には、送電コイル１２は、上層コイル部３５に位置すると共に中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４０と、コイル部４０の端部に接続されると共に中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４１とを含む。コイル部４０には接続線３１が接続されている。コイル部４１は、下層コイル部３４に位置し、コイル部４０よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。

送電コイル１２は、コイル部４１に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４２を含む。コイル部４２は、上層コイル部３５に位置し、コイル部４１よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。送電コイル１２は、コイル部４２に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４３を含む。コイル部４３は、下層コイル部３４に位置し、コイル部４２よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。

送電コイル１２は、コイル部４３に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４４を含む。コイル部４４は、上層コイル部３５に位置し、コイル部４３よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。送電コイル１２は、コイル部４４に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４５を含む。コイル部４５は、下層コイル部３４に位置し、コイル部４４よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。

送電コイル１２は、コイル部４５に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４６を含む。コイル部４６は、上層コイル部３５に位置し、コイル部４５よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。送電コイル１２は、コイル部４６に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４７を含む。コイル部４７は、下層コイル部３４に位置し、コイル部４６よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。

送電コイル１２は、コイル部４７に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４８を含む。コイル部４８は、上層コイル部３５に位置し、コイル部４７よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。送電コイル１２は、コイル部４８に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部４９を含む。コイル部４９は、下層コイル部３４に位置し、コイル部４８よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。

送電コイル１２は、コイル部４９に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部５０を含む。コイル部５０は、上層コイル部３５に位置し、コイル部４９よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。送電コイル１２は、コイル部５０に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部５１を含む。コイル部５１は、下層コイル部３４に位置し、コイル部５０よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。

送電コイル１２は、コイル部５１に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部５２を含む。コイル部５２は、上層コイル部３５に位置し、コイル部５１よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。送電コイル１２は、コイル部５２に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部５３を含む。コイル部５３は、下層コイル部３４に位置し、コイル部５２よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。

送電コイル１２は、コイル部５３に接続され、中心軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線３０を一巻きして形成されたコイル部５４を含む。コイル部５４は、上層コイル部３５に位置し、コイル部５３よりも中心軸Ｏ１に近い位置に配置されている。そして、このコイル部５４の終端部に接続線３２が接続されている。

電力送電時において、送電コイル１２には交流電流が流れる。当該交流電流の周波数は、数十ＫＨｚであるため、電流の波長は送電コイル１２の長さに比べて非常に長い。このため、電力送電時において、送電コイル１２の端部３６から端部３７に向かうにつれて、電位が順次高くなるときと、電位が順次低くなるときとが周期的に生じる。

上記のように送電コイル１２内で電位が分布したとしても、上層コイル部３５と下層コイル部３４とを交互に巻回するように形成されているので、上下方向に隣り合うコイル部同士間の電位差は小さく、コイル部間で放電が生じることが抑制されている。たとえば、コイル部４０と、コイル部４１との間の電位差は小さく、また、同様に、コイル部４１とコイル部４２との間の電位差は小さい。

図５は、コイルユニット５を示す分解斜視図である。この図５に示すように、コイルユニット５は、ケース６０と、このケース６０内に収容された受電コイル８、コンデンサ９およびフェライト６１を含む。

ケース６０は、車両のフロアパネルの下方に配置されるベース板６４と、このベース板６４を下方から覆うように配置される樹脂蓋６５とを含み、樹脂蓋６５がベース板６４に装着されることで、受電コイル８などを収容する空間が形成される。

フェライト６１は、複数の分割フェライトを環状に配置して形成された外周環状コア６２と、外周環状コア６２の内周縁部に配置された中央コア６３とを含む。中央コア６３は、複数の分割フェライトを配置して形成されており、外周環状コア６２から下方に突出するように形成されている。中央コア６３と、ベース板６４との間には空間が形成されており、この空間内にコンデンサ９が配置されている。

受電コイル８は、外周環状コア６２の下面に配置されてり、受電コイル８は、中央コア６３の周囲を取り囲むように、コイル線６９を巻回して形成されている。

受電コイル８の一端には、整流器６に接続される接続線６６が接続されている。受電コイル８の他端には、コンデンサ９に接続される接続線６７が接続されている。

図６は、図５に示すＶＩ−ＶＩ線における断面図であり、コイル線６９が延びる方向に対して垂直な方向で断面視した断面図である。この図６に示すように、受電コイル８は、外周環状コア６２の下面に配置された上層コイル部７０と、上層コイル部７０の下面側に配置された下層コイル部７１とを含む。

受電コイル８の端部７２に接続線６６が接続されており、他方の端部７３に接続線６７が接続されている。

受電コイル８は、受電コイル８の端部７２から端部７３に向かって巻き数が増えるにつれて、中心軸Ｏ２に近づくようにコイル線６９を巻回して形成されている。

そして、受電コイル８は、端部７２から端部７３に向かうにつれて、上層コイル部７０と下層コイル部７１とを交互に移動するように、コイル線６９を巻回して形成されている。

具体的には、受電コイル８は、接続線６６が接続され下層コイル部７１に位置すると共に、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８０と、コイル部８０の端部に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８１とを含む。コイル部８１は、上層コイル部７０に位置し、コイル部８０よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部８１に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８２を含む。コイル部８２は、下層コイル部７１に位置しており、コイル部８１よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部８２に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８３を含む。コイル部８３は、上層コイル部７０に位置しており、コイル部８２よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部８３に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８４を含む。コイル部８４は、下層コイル部７１に位置しており、コイル部８３よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部８４に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８５を含む。コイル部８５は、上層コイル部７０に位置しており、コイル部８４よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部８５に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８６を含む。コイル部８６は、下層コイル部７１に位置しており、コイル部８５よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部８６に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８７を含む。コイル部８７は、上層コイル部７０に位置しており、コイル部８６よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部８７に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８８を含む。コイル部８８は、下層コイル部７１に位置しており、コイル部８７よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部８８に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部８９を含む。コイル部８９は、上層コイル部７０に位置しており、コイル部８８よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部８９に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部９０を含む。コイル部９０は、下層コイル部７１に位置しており、コイル部８９よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部９０に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部９１を含む。コイル部９１は、上層コイル部７０に位置しており、コイル部９０よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部９１に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部９２を含む。コイル部９２は、下層コイル部７１に位置しており、コイル部９１よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部９２に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部９３を含む。コイル部９３は、上層コイル部７０に位置しており、コイル部９２よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。

受電コイル８は、コイル部９３に接続され、中心軸Ｏ２の周囲を取り囲むようにコイル線６９を一巻きして形成されたコイル部９４を含む。コイル部９４は、下層コイル部７１に位置しており、コイル部９３よりも中心軸Ｏ２に近い位置に配置されている。そして、コイル部９３の終端部に接続線６７が接続されている。

ここで、電力の受電時において、受電コイル８には交流電流が流れる。当該交流電流の周波数は、数十ＫＨｚであるため、交流電流の波長は受電コイル８の長さに比べて非常に長い。このため、電力伝送時において、受電コイル８の端部７２から端部７３に向けて電位が順次高くなるときと、電位が順次低くなるときとが周期的に生じる。

上記のように受電コイル８内で電位が分布したとしても、受電コイル８は、上層コイル部７０と下層コイル部７１とを交互に巻回するように形成されているため、上下方向に隣り合うコイル部間の電位差を低く抑えることができる。

具体的には、たとえば、コイル部８２とコイル部８１との間の電位差は小さく、同様に、コイル部９０とコイル部９１との間の電位差は小さい。

このため、受電コイル８においても、電力受電時において、コイル部間で放電が生じることを抑制することができる。

以上、本発明に基づいた各実施の形態について説明したが、今回開示された各実施の形態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。

本発明は、コイルユニットに適用することができる。

１ 非接触充電システム、２ 車両、３，５ コイルユニット、４ 受電ユニット、６ 整流器、７ バッテリ、８ 受電コイル、９，１３ コンデンサ、１０ 電源、１１ 周波数変換器、１２ 送電コイル、２０，６０ ケース、２１，６１ フェライト、２２，６４ ベース板、２３ 仕切板、２４ 蓋、２５，６５ 樹脂蓋、２６ 金属蓋、２７，６２ 外周環状コア、２８，６３ 中央コア、２９ 高電圧素子、３０，６９ コイル線、３１，３２，３３，６６，６７ 接続線、３４，７１ 下層コイル部、３５，７０ 上層コイル部、３６，３７，７２，７３ 端部。

Claims (1)

1. 巻回軸の周囲を取り囲むようにコイル線を巻回すると共に、一端から他端に向かって巻き数が増えるにつれて前記巻回軸に近づくように前記コイル線を巻回して形成されたコイルを含むコイルユニットであって、
   前記コイルは、下層コイル部と、前記下層コイル部の上面に配置された上層コイル部とを含み、
   前記コイル線の延びる方向に対して垂直な方向で前記コイルを断面視すると、前記コイルの前記一端から前記他端に向かうにつれて、前記コイル線は、前記上層コイル部と前記下層コイル部とを交互に移動するように巻回された、コイルユニット。

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