JP2017228631A

JP2017228631A - コイルユニット

Info

Publication number: JP2017228631A
Application number: JP2016123325A
Authority: JP
Inventors: 浩章湯浅; Hiroaki Yuasa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: JP6555198B2

Abstract

【課題】コイルユニットにおいて、フェライト板のうちコイルと対向する対向部分の温度が高くなることを抑制する。
【解決手段】コイル１２ユニットは、厚さ方向に配列する第１主表面および第２主表面を含む板状のフェライト板１５と、第１主表面に配置された中空状のコイル１２と備え、コイル１２は、厚さ方向に延びる巻回軸線の周囲を取り囲むように形成されており、フェライト板１５のうちコイル１２と対向する対向部分４５Ａ〜４５Ｅの少なくとも一部に厚肉部が形成されており、厚肉部の厚さは厚肉部と隣り合う部分よりも厚い。
【選択図】図７

Description

本発明は、コイルユニットに関し、特に、非接触充電システムに用いられるコイルユニットに関する。

従来から非接触充電システムに用いられるコイルユニットについて各種提案されている。たとえば、特開２０１６−７３０１８号公報に記載された送電装置は、送電コイル側コイルユニットを含み、受電装置は、受電側コイルユニットを含む。

送電側コイルユニットは、板状に形成されたフェライト板と、このフェライト板の上面に配置された中空状の送電コイルとを含み、受電側コイルユニットもフェライト板と、中空状の受電コイルとを含む。

特開２０１６−７３０１８号公報

上記特開２０１６−０７３０１８号公報に記載された送電装置から受電装置に電力を送電する際には、送電コイルに電力が供給され、送電コイルの周囲に磁束が形成される。この磁束は、たとえば、送電コイルの中空部からフェライト板内を通り、フェライト板の外周縁部側から、受電側コイルユニットに向かう。

そして、送電コイルからの磁束は、受電側コイルユニットのフェライト板の外周縁部側からフェライト板内に入り込む。その後、フェライト板内を通り、磁束は受電コイルの中空部から送電装置に向けて出射する。このようにして、送電コイルからの磁束が受電コイルと鎖交する。

磁束が受電コイルと鎖交することで、受電コイル内に受電電流が流れ、受電コイルが受電する。そして、受電電流によって受電コイルの周囲に磁束が形成される。そして、受電コイルからの磁束も、送電コイルからの磁束と同様の磁気経路を通る。

このように、送電コイルおよび受電コイルの周囲を磁束が流れる場合において、経路長が短い磁束経路に多くの磁束が流れる。その結果、送電コイルおよび受電コイルの近傍を通る磁束経路に多くの磁束が流れ、各コイルユニットのフェライト板において、送電コイルまたは受電コイルと対向する対向部分の磁束密度が高くなる。

上記の対向部分の磁束密度が高くなると対向部分での発熱量が多くなり、損失が大きくなり、受電効率の低下を招く。そして、受電装置が受電する受電電力を維持するために、送電コイルに供給する電力を多くすると、さらに、フェライト板の対向部分の温度上昇を招くことになる。

このように、フェライト板の対向部分は、フェライト板の他の部分よりも温度が高くなり易いという課題がある。

本明細書に記載されたコイルユニットは、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、フェライト板のうちコイルと対向する対向部分の温度が高くなることを抑制することである。

本明細書に記載されたコイルユニットは、厚さ方向に配列する第１主表面および第２主表面を含む板状のフェライト板と、第１主表面に配置されると共に、厚さ方向に延びる巻回軸線の周囲を取り囲むように形成された中空状のコイルと備える。上記フェライト板のうちコイルと対向する対向部分の少なくとも一部に厚肉部が形成されており、厚肉部の厚さは厚肉部と隣り合う部分よりも厚い。

上記のコイルユニットにおいて、コイルに電流が流れると、コイルの周囲に磁束が発生する。そして、フェライト板のうち、コイルと対向する対向部分を通る磁束の磁束密度が高くなる。その一方で、対向部分に厚肉部分が形成されており、対向部分における磁束密度が高くなることを抑制することができ、対向部分で大きな損失が生じることを抑制することができる。

本明細書に記載されたコイルユニットによれば、フェライト板のうちコイルと対向する対向部分の温度が高くな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を模式的に示す電気回路図である。送電装置３を示す分解斜視図である。送電装置３の一部を示す断面図である。図３に示す巻回軸線Ｏ１上の観察位置Ｐ１から送電コイル１２およびフェライト板１５を平面視したときの平面図である。角部ピース３３およびその周囲の構成を示す平面図である。辺部ピース３４および角部ピース３３を示す斜視図である。送電装置３から受電装置４に送電している状態を模式的に示す模式図である。フェライト板１５および送電コイル１２の一部を示す斜視図である。図９に示すＸ−Ｘ線で断面視したときの断面の一部を示す図である。各分割フェライト板３５Ａ〜３５Ｅの厚さを同じ厚さとしたフェライト板１５Ａを採用したときにおける磁束密度分布を示す平面図である。図１１の一部を拡大した拡大図である。分割フェライト板３５Ｃの磁束分布を示すグラフである。分割フェライト板３５Ｃの変形例を示す斜視図であり、分割フェライト板３５Ｃを下方から視たときの斜視図である。

図１から図１４を用いて、実施の形態に係るコイルユニットについて説明する。なお、図１から図１４に示す構成のうち、同一の構成または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する場合がある。

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を模式的に示す電気回路図である。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と送電装置３とを含む。

車両２は、送電装置３から非接触で電力を受電する受電装置４と、受電装置４が受電した電力を蓄電するバッテリ７とを含む。受電装置４は、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してバッテリ７に供給する整流器６とを含む。コイルユニット５は、受電コイル８およびコンデンサ９を含み、受電コイル８とコンデンサ９によってＬＣ共振器が形成されている。

送電装置３は、変換器１１と、変換器１１に接続されたコイルユニット１４とを含む。変換器１１は、電源１０に接続されており、変換器１１は、電源１０から供給される交流電力の周波数および電圧を調整してコイルユニット１４に供給する。

コイルユニット１４は、送電コイル１２およびコンデンサ１３を含み、送電コイル１２およびコンデンサ１３によってＬＣ共振器が形成されている。

送電コイル１２には変換器１１から供給される交流電流が流れ、送電コイル１２の周囲に電磁界が形成される。この電磁界が受電コイル８に達することで、コイルユニット５が電力を受電する。

図３は、送電装置３を示す分解斜視図である。この図３に示すように、送電装置３は、コイルユニット５と、コイルユニット５を内部に収容する収容ケース２０と、収容ケース２０内に設けられた変換器１１と、コンデンサ１３と、支持板２１とを含む。

収容ケース２０は、上方に向けて開口する金属製のケース本体２２と、ケース本体２２の開口部を覆うように設けられた樹脂蓋２３とを含む。

ケース本体２２内には複数の支持壁２４が形成されており、複数の支持壁２４によってケース本体２２内は複数の収容室に区画されている。変換器１１およびコンデンサ１３は、各収容室に収容されている。

コイルユニット５は、板状に形成されたフェライト板１５と、送電コイル１２と、コンデンサ１３とを含む。

フェライト板１５は、厚さ方向ＴＤに配列する上面１６および下面１７とを含む。送電コイル１２は、フェライト板１５の上面１６に配置されている。送電コイル１２は、厚さ方向ＴＤ１に延びる巻回軸線Ｏ１の周囲を取り囲むように形成されている。

支持板２１は、フェライト板１５の下面１７側に配置されており、支持板２１は、アルミニウムなどの金属材料によって形成されている。支持板２１は、支持壁２４上に配置されており、支持板２１の上面に配置されるフェライト板１５を支持している。

図４は、送電装置３の一部を示す断面図である。この図４に示すように、送電装置３は、フェライト板１５の上面上に配置されたボビン１８を含む。ボビン１８は樹脂などの絶縁材料によって形成されており、ボビン１８の上面には、送電コイル１２が嵌め込まれる溝部１９が形成されている。

図５は、図３に示す巻回軸線Ｏ１上の観察位置Ｐ１から送電コイル１２およびフェライト板１５を平面視したときの平面図である。

図５に示すように、送電コイル１２は、角部が湾曲状とされた多角形形状とされており、この図５に示す例においては、長方形形状とされている。

送電コイル１２は、間隔をあけて形成された複数の角部３０と、一対の直線部３１Ａと、一対の直線部３１Ｂとを含む。各角部３０は湾曲状に曲げられている。各直線部３１Ａ，３１Ｂは、隣り合う角部３０を接続しており、直線部３１Ａの長さは、直線部３１Ｂの長さよりも長い。

送電コイル１２は中空状に形成されており、送電コイル１２の中央には開口部３２が形成されている。

フェライト板１５は、間隔をあけて設けられた複数の角部ピース３３と、複数の辺部ピース３４とを含む。各角部ピース３３は、送電コイル１２の角部３０の下側に配置されており、各辺部ピース３４は、直線部３１Ａの下側に配置されている。

直線部３１Ｂが延びる方向に隣り合う角部ピース３３によって、切欠部３６が形成されている。切欠部３６は、送電コイル１２の外側から開口部３２に向けて延びるように形成されており、切欠部３６の幅Ｗ１は、送電コイル１２の外側から開口部３２に向かうにつれて小さくなるように形成されている。

直線部３１Ａが延びる方向に隣り合う角部ピース３３の間に辺部ピース３４が配置されており、辺部ピース３４と角部ピース３３との間にも切欠部３７が形成されている。切欠部３７も、送電コイル１２の外側から開口部３２に向けて延びるように形成されている。切欠部３７の幅Ｗ２も、送電コイル１２の外側から開口部３２に向かうにつれて、小さくなるように形成されている。

辺部ピース３４は、直線部３１Ａに対して直交するように配置されている。辺部ピース３４の一端は、開口部３２内に位置しており、開口部３２の他端は送電コイル１２の外側に位置している。辺部ピース３４は、２つの分割フェライト板３５Ａ，３５Ｂを含み、分割フェライト板３５Ａ，３５Ｂ間の空隙も、直線部３１Ａに対して垂直な方向に延びる。

図６は、角部ピース３３およびその周囲の構成を示す平面図である。この図６において、接線Ｌ１は、角部３０の頂点Ｐ２における接線である。

角部ピース３３の一端は開口部３２内に位置しており、他端は送電コイル１２よりも外側に位置している。

角部ピース３３は、頂点Ｐ２の下側に配置された分割フェライト板３５Ｃと、分割フェライト板３５Ｃを挟むように配置された分割フェライト板３５Ｄ，３５Ｅとを含む。

ここで、分割フェライト板３５Ｃの一端から他端に向かう方向が接線Ｌ１に直交するように、分割フェライト板３５Ｃが配置されている。また、分割フェライト板３５Ｄ，３５Ｅも、分割フェライト板３５Ｃと同様に配置されている。

図７は、辺部ピース３４および角部ピース３３を示す斜視図である。図中の斜線で示す部分は、各分割フェライト板が送電コイル１２と対向する部分を示す。

具体的には、対向部分４５Ａは、分割フェライト板３５Ａが送電コイル１２とが対向する部分である。同様に、対向部分４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄ，４５Ｅは、分割フェライト板３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，３５Ｅが、送電コイル１２と対向する部分である。ここで、分割フェライト板３５Ｃの厚さＴ１は、分割フェライト板３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｄ，３５Ｅの厚さＴ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５よりも厚い。

このため、フェライト板１５のうち送電コイル１２と対向する対向部分４５Ａ〜４５Ｅの一部である対向部分４５Ｃが厚くなるように形成されている。図７に示す例においては、分割フェライト板３５Ｃが厚肉部であり、他の分割フェライト板３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｄ，３５Ｅが厚肉部と隣り合う隣接部分であり、分割フェライト板３５Ｃの厚さを隣接部分よりも厚くしている。

図８は、送電装置３から受電装置４に送電している状態を模式的に示す模式図である。この図８において、コイルユニット１４の送電コイル１２に交流電流が流れ、送電コイル１２の周囲に磁束ＭＦが発生し、各種の磁束経路を磁束ＭＦが通る。

この図８に示す例においては、磁束経路ＭＰ１は、分割フェライト板３５Ｅを通り、受電コイル８および送電コイル１２を通る鎖交経路である。同様に、磁束経路ＭＰ２は、分割フェライト板３５Ａ通り、受電コイル８および送電コイル１２のいずれも通る鎖交経路である。

その一方で、磁束経路ＭＰ３は、分割フェライト板３５Ｅ内を通ると共に、送電コイル１２の周囲のみを通り、受電コイル８を通らない経路である。磁束経路ＭＰ４も、分割フェライト板３５Ａ内を通ると共に、送電コイル１２の周囲のみを通り、受電コイル８を通らない経路である。磁束経路ＭＰ３，ＭＰ４の経路長は、磁束経路ＭＰ１，ＭＰ２の経路長よりも短く、磁束経路ＭＰ３，ＭＰ４の磁気抵抗は、磁束経路ＭＰ１，ＭＰの磁気抵抗よりも低い。そのため、磁束経路ＭＰ３，ＭＰ４を通る磁束ＭＦは比較的多い。

その一方で、磁束経路ＭＰ１，ＭＰ２を通る磁束によって、受電コイル８に受電電流が流れる。

図９は、フェライト板１５および送電コイル１２の一部を示す斜視図である。この図９において、磁束経路ＭＰ５は、分割フェライト板３５Ｄ、送電コイル１２の周囲および切欠部３６を通る経路である。ここで、磁束ＭＦが切欠部３６を通るときは、空気中を磁束ＭＦが流れることになる。空気の磁気抵抗はフェライトの磁気抵抗よりも遥かに高い。

その一方で、磁束経路ＭＰ３などは、切欠部３６を通らないため、磁束経路ＭＰ３の磁気抵抗は、磁束経路ＭＰ５の磁気抵抗よりも低い。その結果、磁束経路ＭＰ３を通る磁束量は、磁束経路ＭＰ５を通る磁束量よりも多くなる。同様に、磁束経路ＭＰ６も、切欠部３７を通る経路であり、磁束経路ＭＰ３よりも磁気抵抗が高い。このため、磁束経路ＭＰ３に多くの磁束が流れるようになる。

図１０は、図９に示すＸ−Ｘ線で断面視したときの断面の一部を示す。図１０に示すように、分割フェライト板３５Ｃの対向部分４５Ｃにおける磁束密度は、分割フェライト板３５Ｃのうち対向部分４５Ｃと隣り合う部分における磁束密度よりも多い。特に、分割フェライト板３５Ｃの中央部に近づくにつれて、磁束密度が高くなることが分かる。

図１１は、各分割フェライト板３５Ａ〜３５Ｅの厚さを同じ厚さとしたフェライト板１５Ａを採用したときにおける磁束密度分布を示す平面図であり、図１２は、図１１の一部を拡大した拡大図である。なお、図１１および図１２において、領域Ｒ１から領域Ｒ６に向かうにつれて磁束密度分布が高くなる。

この図１１および図１２に示すように、フェライト板１５Ａにおいては、各分割フェライト板３５Ａ〜３５Ｅの中央部分の磁束密度が高いことが分かる。このように磁束密度が高い部分は、各分割フェライト板３５Ａ〜３５Ｅにおいて、送電コイル１２と対向する部分と一致する。特に、分割フェライト板３５Ｃの中央部およびその周囲の磁束密度が最も高いことが分かる。そして、分割フェライト板３５Ｃの中央部分およびその周囲は、送電コイル１２と対向する対向部分４５Ｃと一致している。

このように、分割フェライト板３５Ｃの厚さと、他の分割フェライト板３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｄ，３５Ｅの厚さとを同じ厚さにすると、分割フェライト板３５Ｃの対向部分４５Ｃで大きな損失（発熱）が生じることが分かる。

その一方で、本実施の形態に係るコイルユニット１４においては、図７に示すように、分割フェライト板３５Ｃの厚さＴ１は、他の分割フェライト板３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｄ，３５Ｅよりも厚い。このため、分割フェライト板３５Ｃの断面積（分割フェライト板３５Ｃが長尺に延びる方向に垂直な方向における断面積）は、他の分割フェライト板３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｄ，３５Ｅの断面積よりも広い。そのため、分割フェライト板３５Ｃの対向部分４５Ｃに多くの磁束ＭＦが流れたとしても、対向部分４５Ｃの磁束密度が過大に大きくなることを抑制することができる。これに伴い、対向部分４５Ｃにおいても、温度が上昇することを抑制することができる。

図１３は、分割フェライト板３５Ｃの磁束分布を示すグラフである。具体的には、破線グラフＬ１１は、比較例であるフェライト板１５Ａにおいて、図１２に示す端部Ｐ３から端部Ｐ３から端部Ｐ４における磁束密度を示す。実線グラフＬ１０は、本実施の形態に係るフェライト板１５において同じ位置における磁束密度を示す。なお、縦軸は磁束密度を示し、横軸は位置を示す。この図１３に示すグラフからも明らかなように、本実施の形態に係るフェライト板１５の対向部分４５Ｃの磁束密度は、比較例のフェライト板１５Ａの対向部分４５Ｃの磁束密度よりも低いことが分かる。

このように、本実施の形態に係るコイルユニット１４によれば、磁束密度が高くなる部分が生じることを抑制し、コイルユニット１４の温度上昇を抑制することができる。さらに、一部の分割フェライト板３５Ｃの厚さを厚くしており、全ての分割フェライト板３５Ａ〜３５Ｅの厚さを厚くする場合と比較して、製造コストの低減が図られている。

次に、図１４を用いて、フェライト板１５の変形例について説明する。上記の実施の形態においては、分割フェライト板３５Ｃ全体の厚さを厚くするように形成したが、対向部分４５が位置する部分の厚さを厚くするようにしてもよい。図１４は、分割フェライト板３５Ｃの変形例を示す斜視図であり、分割フェライト板３５Ｃを下方から視たときの斜視図である。この図１４において、斜線部分は、対向部分４５Ｃを示す。

図１４に示すように、分割フェライト板３５Ｃは、厚肉部４２と、厚肉部４２と隣り合う隣接部分４３，４４とを含む。厚肉部４２は、送電コイル１２と対向する対向部分４５に位置している。隣接部分４３は、厚肉部４２よりも送電コイル１２の内側に位置しており、隣接部分４４は送電コイル１２の外側に位置している。厚肉部４２の厚さＴ６は、隣接部分４３，４４の厚さＴ７，Ｔ８よりも厚い。

なお、分割フェライト板３５Ｃは、上面４０および下面４１を含む。厚肉部４２は、下面４１に形成されており、厚肉部４２は下方に突出するように形成されている。なお、上面４０は平坦面状に形成されている。分割フェライト板３５Ｃは、幅方向ＷＤに配列する側面４６および側面４７を含み、厚肉部４２は、側面４６から側面４７に達するように形成されている。

このため、対向部分４５Ｃにおける断面積は、隣接部分４４および隣接部分４３の断面積よりも広く、多くの磁束ＭＦが対向部分４５Ｃを通ったとしても対向部分４５Ｃにおいて、磁束密度が高くなることを抑制することができる。図１３の一点鎖線グラフＬ１２は、変形例に係る分割フェライト板３５Ｃの磁束密度を示すグラフである。この一点鎖線グラフＬ１２に示すように、変形例に係る分割フェライト板３５Ｃによれば、全体に亘って、磁束密度の均等化を図ることができる。さらに、変形例に係る分割フェライト板３５Ｃにおいても、局所的に過大な損失および発熱が生じることを抑制することができる。

また、上記の変形例においては、分割フェライト板３５Ｃの対向部分４５Ｃを厚くするようにしたが、対向部分４５Ｃのみならず、図７に示す他の分割フェライト板３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｄ，３５Ｅの対向部分４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｄ，４５Ｅも同様に厚くするようにしてもよい。

なお、上記の実施の形態などにおいては、送電装置３のコイルユニット１４について主に説明したが、コイルユニット１４およびフェライト板１５の構成は、受電装置４のコイルユニット５およびフェライト板にも適用することができる。

今回開示された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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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。

本明細書に記載されたコイルユニットは、非接触充電システムの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送電装置、４受電装置、５，１４コイルユニット、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変換器、１２送電コイル、１５，１５Ａフェライト板、１６上面、１７下面、１８ボビン、１９溝部、２０収容ケース、２１支持板、２２ケース本体、２３樹脂蓋、２４支持壁、３０角部、３１Ａ，３１Ｂ直線部、３２開口部、３３角部ピース、３４辺部ピース、３５，３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，３５Ｅ分割フェライト板、３６，３７切欠部、４２厚肉部、４３，４４隣接部分、４５，４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄ，４５Ｅ対向部分、４６，４７側面、Ｌ１接線、ＭＦ磁束、ＭＰ，ＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３，ＭＰ４，ＭＰ５，ＭＰ６磁束経路、Ｏ１巻回軸線、Ｐ１観察位置、Ｐ２頂点、Ｐ３，Ｐ４端部、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８厚さ、ＴＤ，ＴＤ１厚さ方向、Ｗ１，Ｗ２幅、ＷＤ幅方向。

Claims

厚さ方向に配列する第１主表面および第２主表面を含む板状のフェライト板と、
前記第１主表面に配置されると共に、前記厚さ方向に延びる巻回軸線の周囲を取り囲むように形成された中空状のコイルと、
を備え、
前記フェライト板のうち前記コイルと対向する対向部分の少なくとも一部に厚肉部が形成されており、前記厚肉部の厚さは前記厚肉部と隣り合う部分よりも厚い、コイルユニット。