JP2018085808A - コイルユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】コイルをコイルホルダに保持させて取扱い容易にする構成を維持しつつ、コイルの冷却効率を上げて全体的な薄型化を図ることのできるコイルユニットを提供する。
【解決手段】車両の走行用の電力の非接触伝送に使用されるコイルユニットであって、コイル（３１）と、コイル（３１）を保持する板状のコイルホルダ（４０）とを備えたコイルユニットである。そして、コイルホルダ（４０）には、コイルホルダ（４０）の板面に沿って設けられ、コイル（３１）を構成する導体が配置されるスパイラル状の第１通路（４２）と、第１通路（４２）に沿った経路で且つ第１通路（４２）と少なくともコイルホルダ（４０）の板面に沿った方向に異なる位置に設けられ、冷却材（３２）が配置されるスパイラル状の第２通路（４４）とが含まれる。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両の走行用の電力を非接触に伝送するコイルユニットに関する。
以前より、ＥＶ（Electric Vehicle）などの車両に、走行用の電力を非接触で伝送する非接触伝送システムが提案されている（特許文献１を参照）。伝送された電力は蓄電池に蓄積され、車両の走行に利用される。非接触給電システムでは、充電スポットの地面に給電装置が配置され、車両の車体下部に受電装置が配置される。給電装置と受電装置とには電力を伝送するためのコイルが搭載され、両方のコイルが互いに対向配置されて電力が伝送される。
車両の非接触伝送システムに用いられるコイルは、通常、平面に沿ってスパイラル状に巻回された形態を有する。また、このような形態のコイルは、板状のコイルホルダに保持されることがある。コイルホルダにはスパイラル状の溝が設けられ、コイルは溝内に配置される。コイルホルダを用いることで、非接触給電システムの製造時および設置時に、コイルの取り扱いが容易となり、コイルの導線間の絶縁或いはコイルと他の部材との絶縁を容易に実現できる。
また、車両用の非接触給電システムに用いられるコイルには、大きな電流が流れるため、コイルの冷却が必要となる。コイルホルダが採用される場合、通常、コイルホルダとブロック状の冷却層とが層状に重ねられてコイルの冷却が図られる。
特許文献２には、本発明に関連する先行技術として、電子機器用の非接触電力伝送装置に用いられるコイルユニットが開示されている。このコイルユニットは、コイルがコイルホルダに保持された構成を備える。また、特許文献３には、本願発明に関連する先行技術として、多相発電機などに用いられる相巻き線において、相巻き線の間に冷却剤が循環するチューブ層が介在する構成が開示されている。
特開２０１６−０３４２１４号公報 特開２０１３−２１４６１４号公報 特開平０６−０１４４８３号公報
本発明者らは、車両用の非接触伝送システムにおいて、コイルをコイルホルダに保持する構成を前提にコイルの冷却構造について検討した。車両用の走行用の電力を伝送するコイルには、非常に高い電圧が発生する。このため、コイルホルダにおいてコイルの導線が配置される溝は、互いに隣接する二区間の間に、所定の絶縁距離が保たれるように間隙が設けられる。また、車両用の非接触給電システムに用いられるコイルは、大きな重量を有する。このため、コイルホルダは、強度と耐衝撃性の要求を満たすように所定の厚みを有する。
従って、コイルを冷却するために、コイルホルダにブロック状の冷却層を積層する構造を採用すると、コイルホルダの厚みによって冷却層とコイルとの間に比較的に大きな間隙が生じる。このため、冷却効率が低下するという課題が生じる。この場合、所定の冷却能力を得ようとすると、冷媒の温度を低くするか、冷却層の容積を大きくしなければならない。冷却層の容積を大きくすると、コイルユニット全体の厚みが増し、非接触給電システムの給電装置を充電スポットに設置する際、或いは、受電装置を車両に搭載する際に、コイルユニットの大きな配置スペースが必要になるという課題が生じる。ここでは、コイルホルダ、コイル、および冷却層を含めた構成を「コイルユニット」と呼んでいる。
一方、コイルホルダの厚みを削ってコイルと冷却層とを近接させると、近接する分、コイルの冷却効率を向上できる。しかしながら、この場合、コイルホルダの強度が低下して、非接触伝送システムの製造時又は設置時においてコイルホルダの剛性を維持しにくくコイルの取り扱いが難しくなるという課題が生じる。
本発明は、コイルをコイルホルダに保持させて取扱い容易にする構成を維持しつつ、コイルの冷却効率を上げて全体的な薄型化を図ることのできるコイルユニットを提供することを目的とする。
請求項１記載の発明は、
車両の走行用の電力の非接触伝送に使用されるコイルユニットであって、
コイルと、
前記コイルを保持する板状のコイルホルダと、
を備え、
前記コイルホルダには、
前記コイルホルダの板面に沿って設けられ、前記コイルを構成する導体が配置されるスパイラル状の第１通路と、
前記第１通路に沿った経路で、且つ、前記第１通路と少なくとも前記コイルホルダの板面に沿った方向に異なる位置に設けられ、冷却材が配置されるスパイラル状の第２通路と、
が含まれることを特徴とするコイルユニットである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のコイルユニットにおいて、
前記第１通路は、前記コイルホルダの一方の板面に設けられた溝であり、
前記第２通路は、前記コイルホルダの前記一方の板面とは逆方の板面に設けられていることを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項２記載のコイルユニットにおいて、
前記コイルホルダの板厚方向を上下方向、前記逆方の板面から前記一方の板面を向く方向を上方として、
前記第１通路の経路方向および前記第２通路の経路方向に垂直な断面において、前記第２通路の上端は、前記第１通路の下端より上方にあることを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載のコイルユニットにおいて、
前記第２通路は、前記コイルホルダの前記逆方の板面に設けられた溝であり、
前記冷却材は冷媒を通す冷媒管であることを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のコイルユニットにおいて、
前記第１通路と前記第２通路とは、前記コイルホルダの同一の板面に設けられた溝であり、
前記冷却材は冷媒を通し且つ剛性を有する冷媒管であることを特徴としている。
本発明によれば、コイルホルダにおいてコイルの導体と並ぶように冷却材が配置されるので、コイルの高い冷却効率が得られる。従って、所定の冷却能力を実現するために、冷却材が配置される第２通路の容積を大きくしなくて済む。また、第２通路の容積を小さくでき、且つ、第２通路はスパイラル状の構成なので、第２通路に起因してコイルホルダの強度が大きく低下することがない。従って、第２通路が無い場合と比較してコイルホルダの厚みを大きく変えずにコイルホルダの強度を維持できる。従って、非接触伝送システムの製造時または設置時にコイルの取扱いの容易さが維持される。さらに、冷却層が不要となるので、所定の冷却能力が得られた上で、コイルユニットの全体的な厚みを小さくできる。従って、コイルをコイルホルダに保持させて取扱い容易にする構成を維持しつつ、コイルユニットの全体的な薄型化を図ることができる。さらに、コイルユニットの組立工程において、コイルと冷却材が配置される部分との位置合わせを行うために煩雑な作業が不要となり、作業性が向上する。
本発明の第１実施形態に係る非接触電力伝送システムを示す構成図である。 本発明の第１実施形態のコイルユニットを示す分解斜視図である。 第１実施形態に係るコイルホルダ層を示す平面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 第１実施形態に係るコイルホルダ層の変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係るコイルホルダ層を示す平面図である。 図６のＢ−Ｂ線断面図である。 比較例のコイルホルダ層を示す断面図である。
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る非接触電力伝送システムを示す構成図である。
本発明の実施形態に係る非接触電力伝送システム１００は、車両２００の走行用の電力を非接触で伝送するシステムである。非接触電力伝送システム１００は、充電スポットの地面に設置される給電装置１０１と、車両２００に搭載される受電装置１０２とを備える。給電装置１０１にはインバータ回路１０４を介して電源１０３が接続される。車両２００は、ＥＶ（Electric Vehicle）、ＨＶ（Hybrid Vehicle）など、電力で走行可能である。車両２００は、走行用の電力を蓄積する車載バッテリ（例えばニッケル水素バッテリ、或いはリチウムイオンバッテリなど）１０５を備える。受電装置１０２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路１０６を介して車載バッテリ１０５に接続される。
給電装置１０１と受電装置１０２には、互いに磁気的に接続されるコイル１１、３１を含んだコイルユニット１０、３０をそれぞれ備える。電力を伝送する際、給電装置１０１と受電装置１０２とは、互いに対向配置される。そして、電源１０３から電力が供給されると、インバータ回路１０４を介して給電装置１０１のコイル１１に所定周波数の交流電圧が出力される。すると、給電装置１０１と受電装置１０２とが磁気共鳴方式或いは電磁誘導方式により磁気的に結合され、受電装置１０２のコイル３１に所定周波数の交流の電力が伝送される。コイル３１に伝送された交流の電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路１０６を介して直流電力に変換され、車載バッテリ１０５に出力される。これにより、車載バッテリ１０５に走行用の電力が蓄積される。コイル１１、３１には大きな電流が流れるため、コイル１１、３１は発熱する。
また、給電装置１０１は、コイル１１の熱を吸収する冷媒が供給される冷媒入力部２１と、熱を吸収した冷媒を排出する冷媒出力部２２とを有する。受電装置１０２は、コイル３１の熱を吸収する冷媒が供給される冷媒入力部２３と、熱を吸収した冷媒を排出する冷媒出力部２４とを有する。冷媒は、特に制限されないが、例えばガス状の材料を適用できる。冷媒出力部２２、２４から出力された冷媒はラジエータ或いは冷却装置により冷却されて、循環的に冷媒入力部２１、２３へそれぞれ送られる。
図２は、本発明の第１実施形態のコイルユニットを示す分解斜視図である。以下では、受電装置１０２のコイルユニット３０について詳細に説明し、給電装置１０１のコイルユニット１０についての詳細な説明は省略する。受電装置１０２のコイルユニット３０と、給電装置１０１のコイルユニット１０とは、上下逆さに配置される点が異なる以外、基本的な構造は同一である。
コイルユニット３０は、走行用の電力の非接触伝送に使用されるもので、図２に示すように、コイルホルダ層３４と、フェライト層３５と、シールド層３６とを備える。
フェライト層３５は、平板状の形態を有し、電気を流さない強磁性体（フェライトなど）から構成される。フェライト層３５は、コイル３１を貫く磁力線を増大させて、給電装置１０１と受電装置１０２との磁気的な結合を強くする。また、フェライト層３５は、コイル３１を貫く磁力線を、給電装置１０１へ向いた方向に集中させ、その逆向きに漏れる磁力線を遮蔽する。フェライト層３５は、コイルホルダ層３４の上方（給電装置１０１が配置される方と逆方）に積層される。
シールド層３６は、平板状の形態を有し、例えばアルミなど電気を通す材料から構成される。シールド層３６は、コイルユニット３０で生じてフェライト層３５を通過した電磁ノイズを遮蔽する。シールド層３６は、フェライト層３５の上方に積層される。
図３は、第１実施形態に係るコイルホルダ層を示す平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。
コイルホルダ層３４は、コイルホルダ４０と、コイル３１と、冷媒を流す冷媒管３２とを有する。冷媒管３２は、本発明に係る冷却材の一例に相当する。
コイルホルダ４０は、平板状の形態を有し、例えば樹脂等の絶縁材料から構成される。コイルホルダ４０の材料としては、加えて高い熱伝導を有する材料が採用されるとよい。コイルホルダ４０の一方の板面４１には、板面４１に沿ったスパイラル状の溝４２が設けられる。コイルホルダ４０の逆方の板面４３には、板面４３に沿ったスパイラル状の溝４４が設けられる。溝４２は、本発明に係る第１通路の一例に相当する。溝４４は、本発明に係る第２通路の一例に相当する。
コイル３１は、例えば金属の撚り線から構成される。コイル３１は、コイルホルダ４０の溝４２に配置される。これにより、コイル３１のスパイラル状の形態が維持される。電力の伝送時、コイル３１には比較的に大きな電流が流れ、コイル３１は発熱する。また、コイル３１は比較的に大きな重量を有する。
冷媒管３２は、剛体を有する管でも、可撓性を有する管でもよい。冷媒管３２は、熱伝導性の高い部材から構成され、溝４４に嵌入される。冷媒管３２は、発熱したコイル３１より温度の低い冷媒が流され、コイル３１の熱を冷媒に移す。
冷媒管３２が配置される溝４４は、図３および図４に示すように、コイル３１が配置される溝４２に沿った経路で、且つ、溝４２と少なくとも板面４１に沿った方向に異なる位置に設けられている。言い換えれば、一方の板面４１の溝４２と逆方の板面４３の溝４４とを、板面４３に垂直な方向から見た場合、一方の溝４２と他方の溝４４とが交差せず、一方の溝４２の隣接する二区間の間に、他方の溝４４が通るように配置される。
また、図４に示すように、溝４２、４４を、溝４２、４４の経路方向に垂直な断面で見て、板面４１、４３の垂直な方向を上下方向、逆方の板面４３から一方の板面４１を向く方向を上方とすると、他方の溝４４の上端が一方の溝４２の下端より上方に位置する。
＜コイルユニットの作用効果＞
以上のように、第１実施形態のコイルユニット３０によれば、溝４２、４４の配置により、コイルホルダ４０に比較的に大きな厚みがあっても、コイル３１と冷媒管３２とを適宜に近接させることができる。よって、コイル３１の冷却効率を向上でき、少ない容積の冷媒管３２により所定の冷却能力を得ることができる。また、冷媒管３２が配置される溝４４は、小さい容積で且つスパイラル状のものなので、これによりコイルホルダ４０の強度が大きく低下することがない。よって、コイルホルダ４０の厚みをさらに増大させずに、コイルホルダ４０によってコイル３１と冷媒管３２とを必要な強度で保持することができる。従って、非接触電力伝送システム１００の製造時又は設置時に、コイルホルダ４０によってコイル３１の取扱いが容易になり、且つ、冷媒管３２によりコイル３１を十分に冷却できることから、コイルユニット３０の全体の薄型化を図ることができる。また、溝４２と溝４４とがコイルユニット３０の対向する別の側面に設けられているため、コイル３１が収容される溝４２の間隔が狭くても、コイルユニット３０の溝４２、４４を加工成形すること容易となる。また、コイル３１が配置される溝４２が互いに近接している場合であっても、冷媒管３２が配置される溝４４は溝４２とは反対側の面から設けられるため、溝４４の容積を確保しつつ、溝４２に近接されて冷却効率も向上できる。また、コイルユニット３０の組立工程においては、コイル３１と冷媒管３２との位置合わせを行うために煩雑な作業が不要となり、作業性が向上する。
図８には、比較例として、コイルホルダ層３４Ｂにブロック状の冷却層３３を重ねてコイル３１の冷却を行う構成の断面図を示す。このような構成では、コイルホルダ４０Ｂの厚みにより冷却層３３とコイル３１とが離間するため、コイル３１の冷却効率が低下する。このため、冷却層３３の容積を増して冷却能力を上げる必要が生じ、コイルユニットの全体的な厚みが増してしまう。第１実施形態のコイルユニット３０は、溝４２と溝４４とが互い違いに配置される。これにより、コイル３１と冷媒管３２を上下に重ねあわせるよりも厚みを低減しつつ、コイル３１と冷媒管３２とを互いに近接させることができ、比較例の構成と比較して、同等の冷却能力を発揮でき、且つ、コイルユニット３０の厚みを顕著に低減できる。
また、第１実施形態のコイルユニット３０によれば、一方の溝４２の隣接する二区間の間が狭くても、他方の溝４４がコイルホルダ４０の厚み方向に異なる位置に配置されるので、溝４４を設けるスペースを容易に確保できる。また、一方の溝４２と他方の溝４４との間にコイルホルダ４０の部材が適宜な肉厚で介在するので、溝４２に配置されるコイル３１の導体と、溝４４に配置される冷媒管３２との高い絶縁性を確保することができる。
（変形例）
図５は、第１実施形態に係るコイルホルダ層の変形例を示す断面図である。
変形例のコイルホルダ層３４は、冷媒管３２および溝４４の代わりに、コイルホルダ４０に冷媒を流す冷媒通路４５を設けたものである。冷媒通路４５は、本発明に係る第２通路の一例に相当する。
冷媒通路４５は、コイルホルダ４０の一方の板面４１より逆方の板面４３に近い方に形成される。また、溝４２と冷媒通路４５の経路方向に垂直な断面で見ると、逆方の板面４３から一方の板面４１を向く方を上方として、溝４２の下端が、冷媒通路４５の上端より下方に位置する。冷媒通路４５は直接に冷媒を流す。この場合、冷媒が、本発明に係る冷却材の一例に相当する。
このような構成としても、第１実施形態のコイルユニット３０と同様の効果が奏される。
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係るコイルホルダ層を示す平面図である。図７は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。
第２実施形態のコイルユニット３０は、コイルホルダ層３４Ａの構成が、第１実施形態のコイルホルダ層３４と異なり、その他は、第１実施形態の構成と同様である。従って、同様の構成については、詳細な説明を省略する。
第２実施形態のコイルホルダ層３４Ａは、コイルホルダ４０Ａと、コイル３１と、冷媒を流す冷媒管３２Ａとを有する。
コイルホルダ４０Ａは、冷媒管３２を配置するための溝４４Ａの配置が異なるだけで、その他は、第１実施形態のコイルホルダ４０と同様である。溝４４Ａは、本発明に係る第２通路の一例に相当する。
冷媒管３２が配置される溝４４Ａは、コイル３１が配置される溝４２に沿ったスパイラル状の経路を有し、一方の溝４２と同一の板面４１に設けられる。板面４１に垂直な方向から見ると、一方の溝４２の隣接する二区間の間に、他方の溝４４Ａの一区間が通される。また、一方の溝４２と他方の溝４４Ａとはコイルホルダ４０Ａの板厚方向に同一の高さに配置される。
冷媒管３２Ａは、熱伝導性が高く、且つ、剛性を有する部材から構成され、溝４４Ａに嵌入される。これにより、冷媒管３２Ａは、コイル３１に沿ったスパイラル状の経路で、コイル３１と並んで配置される。
＜コイルユニットの作用効果＞
以上のように、第２実施形態のコイルユニット３０によれば、溝４２、４４Ａの配置により、コイルホルダ４０Ａに比較的に大きな厚みがあっても、コイル３１と冷媒管３２Ａとを近接させることができる。よって、コイル３１の冷却効率を向上でき、少ない容積の冷媒管３２Ａにより所定の冷却能力を得ることができる。また、冷媒管３２Ａが配置される溝４４Ａは、小さい容積で且つスパイラル状のものなので、これによりコイルホルダ４０Ａの強度が大きく低下することがない。さらに、溝４４Ａには、剛性を有する冷媒管３２Ａが配置される。よって、冷媒管３２Ａとコイル３１との間のコイルホルダ４０Ａの肉厚が小さくなっても、冷媒管３２Ａの剛性が加わることで、コイルホルダ４０Ａの剛性が高まる。よって、コイルホルダ４０Ａの厚みをさらに増大させずに、コイルホルダ４０Ａによってコイル３１と冷媒管３２Ａとを必要な強度で保持することができる。従って、非接触電力伝送システム１００の製造時又は設置時に、コイルホルダ４０Ａによってコイル３１の取扱いが容易になり、且つ、コイルユニット３０の全体の薄型化を図ることができる。また、コイルユニット３０の組立工程においては、コイル３１と冷媒管３２Ａとの位置合わせを行うために煩雑な作業が不要となり、作業性が向上する。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限られるものでない。例えば、上記実施形態に示した図では、コイル３１および冷媒管３２、３２Ａ、或いは冷媒通路４５として、直線の経路と直角に曲がる経路とを有するスパイラル状の形態を示した。しかし、当然に、コイル３１および冷媒管３２、３２Ａ、或いは冷媒通路４５は、曲線状の経路、或いは、直線の経路と曲線状に曲がる経路を有するスパイラル状の形態としてもよい。また、上記実施の形態では、コイルユニット３０として、コイル３１および冷却構造を含んだコイルホルダ層３４、フェライト層３５、およびシールド層３６を積層した構成を示したが、その他の機能を有する別の層が付加されてもよい。また、上記実施形態では、冷却材として、冷媒を流す冷媒管または冷媒を示したが、ヒートパイプなどの熱伝導性の高い固体を適用してもよい。また、冷媒として冷却液などの液体を適用してもよい。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
１０、３０ コイルユニット
１１、３１ コイル
３２、３２Ａ 冷媒管
３４ コイルホルダ層
３５ フェライト層
３６ シールド層
４０ コイルホルダ
４１ 一方の板面
４２ 溝（第１通路）
４３ 逆方の板面
４４、４４Ａ 溝（第２通路）
４５ 冷媒通路（第２通路）
１００ 非接触電力伝送システム
１０１ 給電装置
１０２ 受電装置
２００ 車両

Claims (5)

  1. 車両の走行用の電力の非接触伝送に使用されるコイルユニットであって、
    コイルと、
    前記コイルを保持する板状のコイルホルダと、
    を備え、
    前記コイルホルダには、
    前記コイルホルダの板面に沿って設けられ、前記コイルを構成する導体が配置されるスパイラル状の第１通路と、
    前記第１通路に沿った経路で、且つ、前記第１通路と少なくとも前記コイルホルダの板面に沿った方向に異なる位置に設けられ、冷却材が配置されるスパイラル状の第２通路と、
    が含まれることを特徴とするコイルユニット。
  2. 前記第１通路は、前記コイルホルダの一方の板面に設けられた溝であり、
    前記第２通路は、前記コイルホルダの前記一方の板面とは逆方の板面に設けられていることを特徴とする請求項１記載のコイルユニット。
  3. 前記コイルホルダの板厚方向を上下方向、前記逆方の板面から前記一方の板面を向く方向を上方として、
    前記第１通路の経路方向および前記第２通路の経路方向に垂直な断面において、前記第２通路の上端は、前記第１通路の下端より上方にあることを特徴とする請求項２記載のコイルユニット。
  4. 前記第２通路は、前記コイルホルダの前記逆方の板面に設けられた溝であり、
    前記冷却材は冷媒を通す冷媒管であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のコイルユニット。
  5. 前記第１通路と前記第２通路とは、前記コイルホルダの同一の板面に設けられた溝であり、
    前記冷却材は冷媒を通し且つ剛性を有する冷媒管であることを特徴とする請求項１記載のコイルユニット。
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