JP2016139684A - コイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】コイルユニット間の送電効率または受電効率が低くなることを抑制すると共に、コイルユニットのコアに用いられるフェライト量を低減することができるコイルユニットを提供する。
【解決手段】コイルユニット４０は、複数の分割フェライト４１を環状に配置して形成された外周環状フェライト２７と、外周環状フェライト２７の内周縁部に重なるように配置され、複数の分割フェライト４２を環状に配置して形成された内周環状フェライト２８とを含むフェライトと、外周環状フェライト２７に配置され、内周環状フェライト２８の周囲を取り囲むように配置されたコイルとを備え、内周環状フェライト２８は、複数の分割フェライト４２を環状に配置することで中空状に形成された。
【選択図】図５

Description

本発明は、コイルユニットに関する。

従来から受電側コイルユニットと、送電側コイルユニットとの間で非接触で電力を授受する非接触充電システムが提案されている。特開２００８−１２０２３９号公報に記載されたコイルユニットにおいては、コアと、コアに装着されたコイルとを備え、コアは、コイルの内周側に位置する凸部と、この凸部の周囲に形成され、コイルが装着される凹部と、この凹部の外周を形成する凸部とを含む。

上記のコアは、複数の板状ブロックを積層することで形成されており、コイルの内周側に位置する凸部も、複数の板状ブロックを積層することで形成されている。

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２００８−１２０２３９号公報

上記のように構成されたコイルユニットのコアは、中実状となるように複数の板状ブロックを積層して形成されている。このため、必要となるフェライトの量が多くなり、コストを要する。

その一方で、フェライト量を単純に少なくすると、フェライトを減らすコアの位置によっては、コアの磁気抵抗が高くなり、コイルユニット間での送電効率または受電効率の低下を招く。

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、コイルユニット間の送電効率または受電効率が低くなることを抑制すると共に、コイルユニットのコアに用いられるフェライト量を低減することができる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、複数の第１分割フェライトを環状に配置して形成された外周環状フェライトと、外周環状フェライトの内周縁部に重なるように配置され、複数の第２分割フェライトを環状に配置して形成された内周環状フェライトとを含むフェライトと、外周環状フェライトに配置され、内周環状フェライトの周囲を取り囲むように配置されたコイルとを備える。上記内周環状フェライトは、複数の第２分割フェライトを環状に配置することで中空状に形成される。

本発明に係るコイルユニットによれば、コイルユニット間の送電効率または受電効率が低くなることを抑制することができると共に、コイルユニットのコアに用いられるフェライト量を低減することができる。

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。 送電装置３を示す分解斜視図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 フェライト２１を示す平面図である。 受電装置５を示す分解斜視図である。 図６に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図である。 図７に示す矢印の方向からフェライト６１を視たときの底面図である。 送電コイル１２に所定電力を供給したときにおけるフェライト２１内の磁束密度分布の概要を示す平面図である。 電力伝送時におけるフェライト６１内の磁束密度分布の概要を示す底面図である。 比較例に係る受電装置と送電装置の送電コイルとを鉛直方向に所定距離に離し、送電コイルに所定電力を供給したときにおける送電装置のフェライト内の磁束分布密度の概要を示す平面図である。 比較例の送電装置３Ａから電力を受電しているときの受電装置５Ａのフェライト６１の磁束密度分布の概要を示す底面図である。

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送電装置３とを備える。

受電ユニット４は、送電装置３から送電される電力を受電する受電装置５と、受電装置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。

受電装置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。

送電装置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、送電装置３を示す分解斜視図であり、送電装置３は、ケース２０と、ケース２０内に収容されたコイルユニット４０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、コイルユニット４０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、コイルユニット４０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、車両が送電装置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、コイルユニット４０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。

図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線における断面図である。この図４に示すようにコイルユニット４０は、フェライト２１と、フェライト２１を支持する支持板１４と、フェライト２１に配置された送電コイル１２と、送電コイル１２に接続されたコンデンサ１３とを含む。

図５は、フェライト２１を示す平面図である。この図５に示すように、フェライト２１は、複数の分割フェライト４１を環状に配置して形成された外周環状フェライト２７と、外周環状フェライト２７の内周縁部に重なるように配置された内周環状フェライト２８とを含む。

内周環状フェライト２８は、複数の分割フェライト４２を環状に配置することで形成されており、中空状に形成されている。このため、内周環状フェライト２８の中央部には、穴部４３が形成されている。

図４において、支持板１４は、フェライト２１の下面側に配置されており、外周環状フェライト２７を支持する平坦部５０と、平坦部５０の中央部に形成されると共に上方に向けて突出する突出部５１とを含む。

突出部５１は、平坦部５０から上方に延びる周壁部５２と、周壁部５２の上端部に形成された天板部５３とを含む。天板部５３は、上面に内周環状フェライト２８が配置され、内周環状フェライト２８を保護する。なお、内周環状フェライト２８は、天板部５３によって支持されつつも、外周環状フェライト２７の内周縁部に重なるように配置されている。外周環状フェライト２７が内周環状フェライト２８の内周縁部に重なるように配置されることで、外周環状フェライト２７の下面の一部が、内周環状フェライト２８の上面の一部と接触している。

送電コイル１２は、外周環状フェライト２７の上面に配置されており、内周環状フェライト２８の周囲を取り囲むように配置されている。

ベース板２２には、環状壁５５，５６が形成されており、この環状壁５５，５６によって支持板１４が支持されることで、支持板１４とベース板２２との間に空間が形成されている。コンデンサ１３は、天板部５３とベース板２２との間に配置されており、支持板１４とベース板２２との間には、複数の低電圧素子５４が配置されている。

図３に示すように、送電コイル１２の一端には、周波数変換器１１に接続された接続線３１が接続されている。送電コイル１２の他端には、コンデンサ１３に接続された接続線３２が接続されている。コンデンサ１３には、図３に示すように、周波数変換器１１に接続された接続線３３が接続されている。

図６は、受電装置５を示す分解斜視図であり、図７は、図６に示すＶＩ−ＶＩ線における断面図である。この図６および図７に示すように、受電装置５は、ケース６０と、このケース６０内に収容されたコイルユニット７０とを含む。

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、コイルユニット７０を収容する空間が形成される。

コイルユニット７０は、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。

図８は、図７に示す矢印の方向からフェライト６１を視たときの底面図である。この図８に示すように、フェライト６１は、複数の分割フェライト７１を環状に配置して形成された外周環状フェライト６２と、外周環状フェライト６２の内周縁部に重なるように配置された内周環状フェライト６３とを含む。なお、内周環状フェライト６３は、外周環状フェライト６２の内周縁部において、下面側から接触するように配置されている。

内周環状フェライト６３は、複数の分割フェライト７２を環状に配置して形成されている。内周環状フェライト６３の中央部には穴部６８が形成されており、内周環状フェライト６３は中空状に形成されている。

図７に示すように、受電コイル８は、外周環状フェライト６２の下面側に配置されており、受電コイル８は、内周環状フェライト６３の周囲を取り囲むように形成されている。コンデンサ９は、内周環状フェライト６３とベース板６４との間に形成された空間内に収容されている。

上記のように構成された送電装置３および受電装置５との間で電力伝送するときには、図１において、電源１０から交流電力が周波数変換器１１に供給される。周波数変換器１１は、供給された交流電力を所定の周波数に変換すると共に所定電圧となるように調整して、送電コイル１２に供給する。

これにより、送電コイル１２の周囲に磁界が形成される。送電コイル１２の周囲に形成された磁界が受電コイル８に達することで、送電コイル１２からの電力が受電コイル８に伝達される。

この際、図４に示すように、送電装置３においては、フェライト２１内を多くの磁束ＭＦが流れる。この図４に示す例においては、磁束ＭＦの磁気経路は、内周環状フェライト２８の上面と、内周環状フェライト２８内と、内周環状フェライト２８および外周環状フェライト２７の重なり部分と、外周環状フェライト２７内とを通る経路である。

そして、磁束ＭＦは、内周環状フェライト２８の上面から入射または出射し、外周環状フェライト２７のうち送電コイル１２よりも外周側に位置する部分から出射または入射する。

また、図７に示すように、受電装置５においては、電力伝送時に、フェライト６１内を多くの磁束ＭＦが流れる。この図７に示す例においては、磁束ＭＦの磁気経路は、外周環状フェライト６２と、外周環状フェライト６２および内周環状フェライト６３の重なり部分と、外周環状フェライト６２とを通る経路である。

そして、磁束ＭＦは、外周環状フェライト６２のうち受電コイル８よりも外周側に位置する部分から入射または出射し、内周環状フェライト６３の下面から出射または入射する。

図９は、受電コイル８と送電コイル１２とを鉛直方向に所定距離に離すと共に、受電コイル８および送電コイル１２が鉛直方向に対向した状態で、送電コイル１２に所定電力を供給したときにおけるフェライト２１内の磁束密度分布の概要を示す平面図である。この図９において、領域Ｒ１から領域Ｒ３に向かうにつれて、磁気強度が高くなることを示す。

図９に示すように、外周環状フェライト２７の外周縁部に沿って領域Ｒ１が延びている。領域Ｒ１は、略環状に延びており、この領域Ｒ１の内周側に領域Ｒ２が位置している。内周環状フェライト２８と外周環状フェライト２７とが重なっている部分に領域Ｒ３が位置している。

内周環状フェライト２８と外周環状フェライト２７との接触部分は、間隔をあけて環状に並んでおり、領域Ｒ３も同様に環状に配列している。

内周環状フェライト２８のうち、領域Ｒ３よりも内側に位置する部分に、領域Ｒ２が環状に位置しており、この領域Ｒ２の内側に領域Ｒ１が位置している。この領域Ｒ１は、穴部４３の縁部に沿って延びている。

このように、内周環状フェライト２８のうち、穴部４３の内周縁部およびその近傍においては、殆ど磁束ＭＦが通らないことが分かる。

図１０は、電力伝送時におけるフェライト６１内の磁束密度分布の概要を示す底面図である。この図１０に示すように、内周環状フェライト６３の外周縁部に沿って領域Ｒ１が延びている。領域Ｒ１は、環状に延びており、この領域Ｒ１の内周側に領域Ｒ２が位置している。外周環状フェライト６２と内周環状フェライト６３とが重なっている部分に領域Ｒ３が位置している。

外周環状フェライト６２および内周環状フェライト６３との接触部分は、間隔をあけて環状に並んでおり、領域Ｒ３も同様に配列している。

内周環状フェライト６３のうち、領域Ｒ３よりも内側に位置する部分に、領域Ｒ２が環状に位置しており、この領域Ｒ２の内側に領域Ｒ１が位置している。この領域Ｒ１は、穴部６８の内周縁部に沿って延びている。

次に、比較例としての送電装置および受電装置の間で電力伝送をしたときの磁束密度分布について説明する。

なお、比較例に係る送電装置が本実施の形態に係る送電装置と異なる点は、図９に示すコイルユニット４０の穴部４３に分割フェライトを配置した点である。また、比較例に係る受電装置と本実施の形態に係る受電装置と異なる点は、図１０に示す穴部６８に分割フェライトを配置した点である。

図１１は、比較例に係る受電装置と送電装置とを鉛直方向に所定距離に離し、送電コイルに所定電力を供給したときにおける送電装置のフェライト内の磁束分布密度の概要を示す平面図である。

図１１において、比較例に係る送電装置３Ａは、コイルユニット４０Ａを含み、コイルユニット４０Ａは、複数の分割フェライト４１Ａを環状に配置して形成された外周環状フェライト２７Ａと、この外周環状フェライト２７Ａの内周縁部に重なるように配置された中央フェライト８０Ａとを含む。なお、中央フェライト８０Ａは、複数の分割フェライト４２Ａを配置して形成されている。

そして、中央フェライト８０Ａは、外周環状フェライト２７の内周縁部に重なるように配置された内周環状フェライト６３Ａと、内周環状フェライト８１Ａの内周に配置された分割フェライト４２Ａ１，４２Ａ２を含む。これによりコイルユニット４０Ａにおいては、図９に示す穴部４３は、分割フェライト４１Ａ１，４１Ａ２によって閉塞されている。なお、この図１１において、領域Ｒ０は、領域Ｒ１よりも磁束密度が低いことを示す。

図５および図１１を比較すると、コイルユニット４０の外周環状フェライト２７の磁束密度分布と、コイルユニット４０Ａの外周環状フェライト２７Ａの磁束密度分布は、略同じである。同様に、内周環状フェライト２８の磁束密度分布と、内周環状フェライト２８Ａの磁束密度分布とは、略同じであることが分かる。

そして、比較例のコイルユニット４０Ａには、本実施の形態に係るコイルユニット４０に設けられていない分割フェライト４１Ａ１，４１Ａ２を含んでいる一方で、当該分割フェライト４１Ａ１，４１Ａ２には殆ど磁束が流れないことが分かる。

図１２は、比較例の送電装置３Ａから電力を受電しているときの受電装置５Ａのフェライト６１の磁束密度分布の概要を示す底面図である。

この図１２において、比較例に係る送電装置３Ａは、フェライト６１Ａを含み、フェライト６１Ａは、複数の分割フェライト７１Ａを環状に配置して形成された外周環状フェライト６２Ａと、この外周環状フェライト６２Ａの内周縁部に重なるように配置された中央フェライト８２Ａとを含む。なお、中央フェライト８０Ａは、複数の分割フェライト７２Ａを配置して形成されている。

そして、中央フェライト８２Ａは、外周環状フェライト６２Ａの内周縁部に配置された内周環状フェライト６３Ａと、内周環状フェライト６３Ａの内周に配置された分割フェライト７２Ａ１とを含む。これにより、図１０に示す穴部６８は、分割フェライト７１Ａによって閉塞されている。なお、この図１２においても、領域Ｒ０は、領域Ｒ１よりも磁束密度が低い領域を示す。

図１０および図１２を比較すると、コイルユニット７０の外周環状フェライト６２の磁束密度分布と、コイルユニット７０Ａの外周環状フェライト６２Ａの磁束密度分布とは、略同じである。同様に、コイルユニット７０の内周環状フェライト６３の磁束密度分布と、コイルユニット７０Ａの内周環状フェライト６３Ａの磁束密度分布とは、略同じである。

そして、コイルユニット７０Ａには、コイルユニット７０に設けられていない分割フェライト７２Ａ１が設けられている一方で、分割フェライト７２Ａ１には殆ど磁束が流れていないことが分かる。

このように、本実施の形態に係る送電装置３および受電装置５で電力伝送を実施する場合と、比較例に送電装置３Ａと受電装置５Ａで電力伝送を実施する場合とで、各フェライトに流れる磁束密度分布に殆ど変化がないことが分かる。

これに伴い、本実施の形態に係る送電装置３と受電装置５で電力伝送を実施した際の送電装置３の受電効率と、比較例に係る送電装置３Ａおよび受電装置５Ａで電力伝送を実施した際の送電装置３Ａの受電効率に殆ど差が生じない。同様に、送電装置３の送電効率も、比較例の送電装置３Ａの送電効率と殆ど差が生じない。

その一方で、図９および図１１から明らかなように、本実施の形態に係るコイルユニット４０に用いられるフェライト量は、比較例に係るコイルユニット４０Ａに用いられるフェライト量よりも少ない。

同様に、図１０および図１２から明かなように、本実施の形態に係るコイルユニット７０に用いられるフェライト量は、比較例に係るコイルユニット７０Ａに用いられるフェライト量よりも少ない。

このように、本実施の形態に係るコイルユニットによれば、必要となるフェライト量を低減することができると共に、高い受電効率および送電効率を維持することができる。

以上、本発明に基づいた各実施の形態および各実施例について説明したが、今回開示された事項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、３，３Ａ 送電装置、４ 受電ユニット、５，５Ａ 受電装置、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、１４ 支持板、２０，６０ ケース、２１，６１，６１Ａ 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、２７，２７Ａ，６２，６２Ａ 外周環状フェライト、２８，２８Ａ，６３，６３Ａ 内周環状フェライト、２９ 高電圧素子、３１，３２，３３ 接続線、４０，４０Ａ，７０，７０Ａ コイルユニット、４１，４１Ａ，４２，４２Ａ，４２Ａ１，４２Ａ２，７１，７１Ａ，７２，７２Ａ，７２Ａ１ 分割フェライト、４３，６８ 穴部、５０ 平坦部、５１ 突出部、５２ 周壁部、５３ 天板部、５４ 低電圧素子、５５，５６ 環状壁、８０Ａ，８２Ａ 中央フェライト。

Claims (1)

1. 複数の第１分割フェライトを環状に配置して形成された外周環状フェライトと、前記外周環状フェライトの内周縁部に重なるように配置され、複数の第２分割フェライトを環状に配置して形成された内周環状フェライトとを含むフェライトと、
   前記外周環状フェライトに配置され、前記内周環状フェライトの周囲を取り囲むように配置されたコイルと、
   を備え、
   前記内周環状フェライトは、複数の前記第２分割フェライトを環状に配置することで中空状に形成された、コイルユニット。

Images