JP2017063567A

JP2017063567A - 無接点給電装置

Info

Publication number: JP2017063567A
Application number: JP2015188089A
Authority: JP
Inventors: 栄一郎岩瀬; Eiichiro Iwase
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-03-30
Also published as: EP3147917A1; US20170093213A1

Abstract

【課題】低コストで電力の伝達効率が良い無接点給電装置を提供する。【解決手段】無接点給電装置１は、互いに近接対向させた状態で配置され、共に環状の軟磁性体の給電用コア４０と受電用コア６０とを備え、給電用コア４０及び受電用コア６０の夫々の対向面に、導体を環状に巻き回した給電用コイル３０あるいは導体を環状に巻き回した受電用コイル５０を各別に収容する環状の溝部４１，６１が形成され、給電用コア４０及び受電用コア６０の夫々が、周方向の少なくとも一か所で分断されている。【選択図】図１

Description

本発明は、給電用ユニットと受電用ユニットとを接触させることなく、給電用ユニットから受電用ユニットに電力供給を行う無接点給電装置に関する。

従来、給電用ユニットと受電用ユニットとを接触させずに電力の送受を行う無接点給電が利用されてきた。無接点給電は給電用ユニットと受電用ユニットとの間に生じる電磁誘導を利用するものである。ただし、金属の近傍の磁界が急激に変化すると、電磁誘導効果により金属内に渦状の誘導電流（渦電流）が生じることが知られている。この渦電流は、給電用ユニットから受電用ユニットへ電力を伝達する上で損失となり、電力の伝達効率を悪化させる原因となる。そこで、このような渦電流を低減する技術が検討されてきた（例えば特許文献１及び２）。

特許文献１に記載の電磁給電装置は、一次コア及び二次コアがフェライト又は積層磁性シートを用いて形成される。当該一次コア及び二次コアの対向面のうち、少なくとも一方に導電性を有する軟磁性材膜からなる磁性体部が被着される。この磁性体部には、渦電流低減用のスリットが設けられる。このスリットにより、渦電流経路の等価長を長くし、渦電流損失を低減している。

特許文献２に記載の非接触給電用コイルは、幅寸法が厚さ寸法よりも大きなテープ状導電性部材を、絶縁層を挟んで渦巻き状に巻き回して形成されたコアを有する。これにより、非接触給電用コイル内における磁力線のテープ状導電部材の主面（当該テープ状導電部材の幅方向及び長手方向に広がる面）に垂直な成分を小さくすることができ、当該テープ状導体部材に生じる渦電流を抑えて当該非接触給電用コイルにおける交流損失（渦電流損失等）を効果的に抑制している。

特開平６−１６３２７３号公報特開２０１３−２４３２５０号公報

特許文献１に記載の技術は、コアがフェライト等の絶縁体であることが前提であり、対向面に被着された磁性体部のみが渦電流を防ぐように構成されている。このため、特許文献１に記載の技術は高価な部品の２層構造となる。また、コアに磁性体部を被着する被着工程も必要となるので、製造コストもアップする。また、磁性体部は剥離する可能性があり、温度変化が大きい環境や振動が激しい環境では適さない。また、コストダウンを図るべく、コア全体を安価な鉄系の導電磁性体を用いることが考えられるが、この場合には渦電流の低減効果が小さくなる。

特許文献２に記載の技術は、テープ状導電性部材と絶縁層との２層構造を予め製造しなければならないのでコストアップの要因となり、この２層構造の物を渦巻き状に巻き回す工程もコストアップの要因となる。また、給電用コアと受電用コアとにおける互いに対向する面は平行面にする必要があるが、上述した２層構造の物を渦巻き状に巻き回して形成しているので平行面の確保が容易ではない。仮に平坦面が得られない場合には、給電用コアと受電用コアとの間のエアギャップ部分の磁気抵抗が増大して所期の特性が得られなくなる可能性がある。

そこで、低コストで電力の伝達効率が良い無接点給電装置が求められる。

本発明に係る無接点給電装置の特徴構成は、互いに近接対向させた状態で配置され、共に環状の軟磁性体の給電用コアと受電用コアとを備え、前記給電用コア及び前記受電用コアの夫々の対向面に、導体を環状に巻き回した給電用コイルあるいは導体を環状に巻き回した受電用コイルを各別に収容する環状の溝部が形成され、前記給電用コア及び前記受電用コアの夫々が、周方向の少なくとも一か所で分断されている点にある。

このような構成とすれば、渦電流は、給電用コア及び受電用コアの夫々において、外周面に沿って流れ、分断されている部分で内周面側に折り返して内周面に沿って流れることになる。したがって、渦電流が流れる電流経路を長くし、電気抵抗を高めて、渦電流を小さくすることが可能となる。

また、前記給電用コア及び前記受電用コアの夫々は、周方向に直交する断面がＵ字状である環状の軟磁性のコア部材によって積層形成されていると好適である。

この場合、積層面は電気的に絶縁されている。よって、このような構成とすれば、コア１枚を通る磁束量は板厚に比例して小さくなり、渦電流を生じさせる起電力（Ｖ＝ｄφ／ｄｔ）も同様に小さくなり、渦電流も小さくなる。積層板全体では、表面層にコア１枚に流れる電流と同じ量の電流が流れることと等価であり、積層板全体でも渦電流は減少できる。

また、前記コア部材は電磁鋼板で形成されていると好適である。

このような構成とすれば、給電用コアと受電用コアとを安価に構成することができる。したがって、低コストで無接点給電装置を実現することができる。

無接点給電装置の構成を示す斜視図である。給電用ユニットの斜視図である。図１のIII−III線の断面図である。給電用コアにおける渦電流が流れる経路を模式的に示した図である。コアの違いによる電力伝達効率の比較結果である。

本発明に係る無接点給電装置は、給電用ユニットから受電用ユニットに効率良く電力供給を行うことができるように構成される。以下、本実施形態の無接点給電装置１について説明する。

図１には、無接点給電装置１の斜視図が示される。図２には図１のII−II線の断面図が示される。図１に示されるように、無接点給電装置１は、給電用ユニット１０と受電用ユニット２０とを備えて構成される。給電用ユニット１０は、給電用コイル３０及び給電用コア４０を有する。また、受電用ユニット２０は、受電用コイル５０及び受電用コア６０を有する。

図１に示されるように、給電用コア４０と受電用コア６０とは、共に環状の軟磁性体である。環状とは、特に形状が限定されるわけではないが、本実施形態では円環状である。給電用コア４０と受電用コア６０とは、所定のエアギャップＧを有するように、互いに近接対向させた状態で配置される。

給電用コア４０及び受電用コア６０の夫々の対向面には、環状の溝部４１，６１が形成される。したがって、給電用コア４０と受電用コア６０とは、互いの溝部４１，６１が対向するように配置される。

給電用コイル３０及び受電用コイル５０は、導体３１，５１を環状に巻き回して形成される。導体の周囲は絶縁物で被覆され、本実施形態では、給電用コイル３０及び受電用コイル５０は、図示しない環状のボビンに導体を所定の回数だけ巻き回して形成される。この時、ボビンは上述した環状の溝部４１，６１に収容可能なサイズのものが用いられる。ボビンを用いない場合には、給電用コイル３０及び受電用コイル５０自体が、環状の溝部４１，６１に収容可能なサイズで形成されても良い。

給電用コイル３０は環状の溝部４１に、受電用コイル５０は環状の溝部６１に、夫々、各別に収容される。図示はしないが、給電用コイル３０には、所定の周波数の交流電流を出力する交流電力源が接続される。給電用コイル３０の巻き数は、この周波数に応じて設定される。また、受電用コイル５０には、受電用コイル５０に生じる電力を出力する電力出力部が接続される。

給電用コア４０及び受電用コア６０の夫々は、周方向の少なくとも１か所で分断されている。本実施形態では、給電用コア４０及び受電用コア６０は、夫々、１か所で分断されているとする。このため、給電用コア４０及び受電用コア６０は、夫々空隙部４２，６２を有し、給電用コア４０及び受電用コア６０は、軸方向（図１におけるＡ方向）に見てＣ字状に構成される。

図３には、本実施形態の給電用コア４０の斜視図が示される。なお、上述したように受電用コア６０も同様であるので説明は省略する。本実施形態では、給電用コア４０及び受電用コア６０の夫々は、周方向に直交する断面がＵ字状である環状のコア部材４３，６３によって積層形成される。「周方向に直交する断面」とは、給電用コア４０及び受電用コア６０の夫々を径方向に沿って切断した場合の切断面を言う。この切断面がＵ字状であり、Ｕ字状のＵ溝が、上述した溝部４１，６１に相当する。「積層形成される」とは、図２及び図３のＡ方向に沿ってコア部材を積層することを言う。このような環状のコア部材は、電磁鋼板（ケイ素鋼板）の平板にプレス加工を施して形成すると良い。プレス加工により溝部４１，６１の内径が異なる複数の環状のコア部材を作製し、溝部４１，６１の開口側から順次、小さい内径の溝部４１，６１を有する環状のコア部材を積層して構成される。

このような構成により、給電用コイル３０に所定の周波数の交流電力を印加すると、給電用コイル３０の周囲に磁界が生じ、この磁界による磁束が給電用コア４０により集磁される。給電用コア４０により集磁された磁束は、給電用コア４０、エアギャップＧ、及び受電用コア６０で形成される磁気回路を周回する。この時、受電用コア６０の周囲には、鎖交磁束の時間変化に応じた起電力が生じ、受電用コイル５０に電流を生じさせる。このようにして無接点給電装置１は、給電用ユニット１０から受電用ユニット２０に非接触で電力の供給を行うことが可能となる。

ここで、従来の無接点給電装置では、コアが高抵抗のフェライトを用いて構成されているので、フェライトに生じる渦電流が小さくなり、電力受給における損失が少ない。しかしながら、本無接点給電装置１のように給電用コア４０及び受電用コア６０を鉄系磁性体で形成すると、電気抵抗が小さいため渦電流が大きくなる。この渦電流は、給電用コア４０及び受電用コア６０の夫々の外周面に沿って所定の方向に流れ、内周面に沿って前記所定の方向とは逆方向に流れる。

本無接点給電装置１では、上述したように、給電用コア４０及び受電用コア６０は夫々、周方向の一部に空隙部４２，６２を有している。このため、渦電流は、図４に示されるように、給電用コア４０及び受電用コア６０の夫々の外周面に沿って流れ、空隙部４２，６２で折り返して内周面に沿って流れる。このため、コアの外径及び内径が等しい場合には、上述した従来の無接点給電装置のコアよりも、渦電流の電流経路を長くすることができ、電気抵抗を高めることができる。したがって、渦電流を小さくすることが可能となる。

また、上述したように、本実施形態では、給電用コア４０及び受電用コア６０はコア部材４３，６３を積層して形成される。このため、給電用コア４０及び受電用コア６０において磁束が通る経路の断面積が小さくなるので、磁束量が小さくなり、１枚当たりの逆起電力が小さくなる。したがって、渦電流を小さくすることが可能となる。

図５には、給電用コア４０及び受電用コア６０（以下「コア」とする）の違いによる電力伝達効率の比較結果が示される。なお、本例では、給電用コイル３０に印加される交流電力の周波数は１．８ｋＨｚとしている。

図５において「サンプル番号１」で示されるように、従来の高抵抗フェライトで形成した空隙部を有さないバルクコア（積層されていない一体コア）を用いた場合には、電力伝達効率（＝出力電力／入力電力）が８１％であった。これに対し、鉄系バルク磁性体で空隙部を有さずに形成したコア（「サンプル番号２」）では、電力伝達効率が２５％に低下することが確認された。

この鉄系バルク磁性体のコアに対して、所定の位置に空隙部４２，６２を形成すると、「サンプル番号３」に示されるように電力伝達効率が３８％と向上することが確認された。一方、鉄系磁性体を積層して空隙部を有さないコアを形成すると、「サンプル番号４」に示されるように電力伝達効率が３０％と向上することが確認された。更に、鉄系磁性体を積層してコアを形成し、所定の位置に空隙部４２，６２を形成すると、「サンプル番号５」に示されるように電力伝達効率が６９％と向上することが確認された。このように、本発明者により、コアに空隙部４２、６２を設けたり、コアを積層して形成したりすることにより、電力伝達効率が向上できることが確認された。

更に、フェライトよりも低コストで入手可能であり、鉄系磁性体の中でも電気抵抗が高い電磁鋼板を積層してコアを形成し、所定の位置に空隙部４２，６２を形成すると、「サンプル番号６」に示されるように電力伝達効率が７６％と向上することが確認された。これは、「サンプル番号１」に示される従来のコアを用いた場合と同程度の結果である。このように、本無接点給電装置１によれば、低コストで電力の伝達効率が良い無接点給電装置１を実現可能であることが本発明者により確認された。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、給電用コア４０及び受電用コア６０の夫々は、周方向に直交する断面がＵ字状である環状のコア部材４３，６３によって積層形成されているとして説明したが、給電用コア４０及び受電用コア６０はバルク材で形成してあっても良い。

上記実施形態では、コア部材４３，６３は電磁鋼板で形成されているとして説明したが、その他の軟磁性材料を用いて構成することも可能である。

本発明は、給電用ユニットと受電用ユニットとを接触させることなく、給電用ユニットから受電用ユニットに電力供給を行う無接点給電装置に用いることが可能である。

１：無接点給電装置
３０：給電用コイル
３１：導体
４０：給電用コア
４１：溝部
４３：コア部材
５０：受電用コイル
５１：導体
６０：受電用コア
６１：溝部
６３：コア部材

Claims

互いに近接対向させた状態で配置され、共に環状の軟磁性体の給電用コアと受電用コアとを備え、
前記給電用コア及び前記受電用コアの夫々の対向面に、導体を環状に巻き回した給電用コイルあるいは導体を環状に巻き回した受電用コイルを各別に収容する環状の溝部が形成され、
前記給電用コア及び前記受電用コアの夫々が、周方向の少なくとも一か所で分断されている無接点給電装置。
前記給電用コア及び前記受電用コアの夫々は、周方向に直交する断面がＵ字状である環状のコア部材によって積層形成されている請求項１に記載の無接点給電装置。
前記コア部材は電磁鋼板で形成されている請求項２に記載の無接点給電装置。