JP2018120880A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給電効率を高くすることができる非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】本発明は、所定方向に並べられる複数の１次コア２１と、複数の１次コア２１に巻かれ、電力を送電する複数の１次コイル２２と、複数の１次コア２１の少なくとも一つに隙間を介して対向し、複数の１次コア２１に対して相対移動可能である２次コア２３と、２次コア２３に巻かれ、電力を受電する２次コイル２４と、を備える。各１次コア２１は、各１次コイル２２が巻かれる中央部２１ａと、この中央部２１ａに対して曲がっている両端の対向部２１ｂと、を有して、断面Ｃ字状である。
【選択図】図３

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に関する。

近年、電気自動車用の給電装置として、非接触電力伝送装置の研究が盛んである。この非接触電力伝送装置は、所定の駐車位置に配置され、電力を送電する１次コイルと、自動車に取り付けられ、電力を受電する２次コイルと、を備える。自動車を駐車位置まで移動させ、１次コイルに交流電流を流すと、１次コイルと２次コイルとの間で電力伝送が行われる。すなわち、１次コイルに交流電流を流すと、１次コイル周囲に磁界が発生し、１次コイル及び２次コイルを共通に鎖交する磁束によって２次コイルに誘導起電力が発生する。電気自動車用の非接触電力伝送装置は、自動車を所定の駐車位置に停止させた状態（２次コイルを固定した状態）で電力伝送を行うので、固定型と呼ばれる。

これに対して、２次コイルを移動させながら電力伝送を行う移動型の非接触電力伝送装置も知られている（特許文献１参照）。移動型は、電力を送電する１次給電線と、電力を受電する２次コイルと、を備える。１次給電線は、案内レールに沿って配置される。２次コイルは、案内レールに沿って移動する移動体に取り付けられる。１次給電線に交流電流を流すと、１次給電線と２次コイルとの間で電力伝送が行われる。移動型は、例えば半導体又は液晶工場の搬送装置に用いられる。

特開平８−１４０３３１号公報

しかし、従来の一般的な移動型の非接触電力伝送装置にあっては、漏れ磁束が大きく、すなわち１次給電線と２次コイルとを共通に鎖交する磁束が少なく、給電効率を高くすることができない可能性があり対策が必要であるという課題がある。

そこで、本発明は、給電効率を高くすることができる移動型の非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、所定方向に並べられる複数の１次コアと、前記複数の１次コアに巻かれ、電力を送電する複数の１次コイルと、前記複数の１次コアに対して相対移動可能であり、前記複数の１次コアの少なくとも一つに隙間を介して対向する２次コアと、前記２次コアに巻かれ、電力を受電する２次コイルと、を備え、前記各１次コアは、前記各１次コイルが巻かれる中央部と、この中央部に対して曲がっている両端の対向部と、を有して、断面Ｃ字状である非接触電力伝送装置である。

本発明によれば、複数の１次コイルが所定方向に並べられるので、２次コイルを相対移動させながら１次コイルと２次コイルとの間で電力伝送を行うことができる。また、各１次コアは、断面Ｃ字状であり、各１次コアに発生する磁束を対向する２次コアに向かわせる。このため、１次コイルと２次コイルの結合度の度合いを示す結合係数を高くすることができる。

本発明の一実施形態の非接触電力伝送装置を組み込んだアクチュエータの斜視図である。 本実施形態のアクチュエータの電気系システム構成図である。 本実施形態の非接触電力伝送装置の斜視図である。 本実施形態の非接触電力伝送装置の断面図である。 ２次コア側から見た本実施形態の１次コアの平面図である。 本実施形態の２次筺体の他の例の斜視図である。 本実施形態の１次筺体及び２次筺体の他の例の斜視図である。 磁界解析の結果を示す図（図８（ａ）は比較例、図８（ｂ）は発明例１、図８（ｃ）は発明例２）である。 磁界解析の結果を示す図（発明例３）である。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態の非接触電力伝送装置を詳細に説明する。ただし、本発明の非接触電力伝送装置は種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

図１は、本実施形態の非接触電力伝送装置１（以下、単に電力伝送装置１という）を組み込んだアクチュエータ２の斜視図を示す。以下においては、説明の便宜上、図１に示される上下、左右及び前後の各方向を用いてアクチュエータ２の構成を説明する。

アクチュエータ２は、前後方向（一方向）に延びるベース３と、ベース３に対して前後方向に移動可能なテーブル４と、を備える。ベース３は、底部３ａと、底部３ａの幅方向の両端に設けられ、互いに対向する左右一対の側壁部３ｂと、を有して、断面Ｃ字状である。ベース３は、非磁性導電体（例えばアルミニウム）製である。ベース３の側壁部３ｂとテーブル４との間には、テーブル４が前後方向に移動するのを案内するリニアガイド７が設けられる。リニアガイド７は、ベース３の側壁部３ｂに取り付けられるレール５と、レール５に前後方向に移動可能に組み付けられるキャリッジ６と、を備える。キャリッジ６の上面には、テーブル４が取り付けられる。キャリッジ６が円滑に移動するように、キャリッジ６とレール５との間には、転がり運動可能に複数の転動体が介在する。複数の転動体は、キャリッジ６の循環路に循環可能に配列・収容される。リニアガイド７は公知のものであるので、これ以上の詳しい説明を省略する。なお、リニアガイドには、軸と、外筒と、を備えるボールスプライン、リニアブッシュを用いることもできる。

テーブル４は偏平な略直方体状であり、非磁性導電体（例えばアルミニウム）製である。テーブル４は、リニアモータ８（図２参照）によって駆動される。リニアモータ８は、ベース３に取り付けられ、複数の永久磁石を有する界磁部と、テーブル４に取り付けられ、例えばコア及び三相コイルを有する電機子部と、を備える。テーブル４には、図示しないＰＷＭインバータ（Pulse Width Modulation）等のドライバ９（図２参照）が設けられる。ドライバ９は、テーブル４と一緒に前後方向に移動する。

ドライバ９は、リニアモータ８の電機子部に供給する電力を制御する。ドライバ９がリニアモータ８に電力を供給すると、電機子部の三相コイルに交流電流が流れ、電機子部のコアと界磁部との間で吸引力及び反発力が発生し、テーブル４に推力が発生する。リニアモータ８及びドライバ９は、公知のものであるので、これ以上の詳しい説明を省略する。

アクチュエータ２には、ドライバ９に電力を供給する電力伝送装置１が設けられる。電力伝送装置１は、ベース３に設けられる複数の送電部１１と、テーブル４に設けられる受電部１２と、を備える。

送電部１１は、１次コア２１と、１次コア２１に巻かれる１次コイル２２と、を備える（図３参照）。送電部１１は、ベース３の長さ方向（前後方向）に一定のピッチで複数、例えば９つ並べられる。ベース３の脇には、前後方向に細長い断面Ｌ字状の収容部１３が設けられる。送電部１１は、この収容部１３の側壁に取り付けられて、ベース３の非磁性導電体（例えばアルミニウム）製の側壁部３ｂ部に対向する。

受電部１２は、２次コア２３と、２次コア２３に巻かれる２次コイル２４と、を備える（図３参照）。受電部１２は、テーブル４の側面に取り付けられて、送電部１１に隙間を介して対向する。受電部１２は、テーブル４と一緒に収容部１３内を前後方向に移動する。受電部１２が前後方向に移動しても、受電部１２は送電部１１の少なくとも一つに対向し、送電部１１の少なくとも一つから電力を受け取る。

図２は、本実施形態のアクチュエータ２の電気系システム構成図を示す。図示しない架台には、高周波電源１０が設置される。高周波電源１０には、１次コイル２２がケーブル１４を介して直列又は並列で電気的に接続される。

高周波電源１０が１次コイル２２に高周波電力を供給すると、１次コイル２２の周囲に高周波磁界が発生し、１次コイル２２と２次コイル２４を共通に鎖交する磁束により、２次コイル２４に誘導起電力が発生する。１次コイル２２には、１次側共振コンデンサ２５が直列に接続される。２次コイル２４には、２次側共振コンデンサ２６が並列に接続される。

１次側共振コンデンサ２５及び２次側共振コンデンサ２６は、電圧と電流との位相差を０にする（力率を１にする）ために入れられる。また、１次側共振コンデンサ２５及び２次側共振コンデンサ２６は、１次側と２次側を電源周波数と共振させ、効率を向上させるために入れられる。高周波電源１０が１次コイル２２に印加する周波数は高周波（例えば５０ＫＨｚ以上、望ましくは５０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚ）である。これにより、インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣを小さくできる。

２次コイル２４は、ケーブル２７を介してドライバ９に接続される。２次コイル２４とドライバ９は、テーブル４（図１参照）に設けられるので、ケーブル２７用のケーブルチェーンは不要である。ドライバ９は、高周波交流を直流に平滑化する整流器と、リニアモータ８を制御するために、整流器が整流した電圧のパルス幅を制御するＰＷＭインバータと、を備える。

図３及び図４は、電力伝送装置１の送電部１１及び受電部１２の詳細図を示す。図３は、図１に示す送電部１１及び受電部１２を前後軸の回りに時計回りに９０度回転させた状態の斜視図を示す。図４は、正面図を示す。

図３に示すように、送電部１１は、１次コア２１と、１次コア２１に巻かれる１次コイル２２と、を備える。受電部１２は、１次コア２１に隙間を介して対向する２次コア２３と、２次コア２３に巻かれる２次コイル２４と、を備える。本実施形態では、１次コア２１の形状と２次コア２３の形状とが等しい。１次コイル２２の巻き数と２次コイル２４の巻き数は入出力電圧比に合わせた巻き数となる。

図４に示すように、１次コア２１は、１次コイル２２が巻かれる４角形の板状の中央部２１ａと、この中央部２１ａに対して曲がっている両端の対向部２１ｂと、を有して、断面Ｃ字状である。１次コア２１の中央部２１ａと２次コア２３の中央部２３ａとは、互いに平行である。１次コア２１の対向部２１ｂ及び２次コア２３の対向部２３ｂは、互いに向かって約９０度曲がっている。１次コア２１の対向部２１ｂと２次コア２３の対向部２３ｂとが隙間δを介して対向する。

図５は、２次コア２３側（図１の左右方向）から見た１次コア２１の平面図を示す。各１次コア２１は、平面視で４角形状である。対向部２１ｂの幅ｗ１（図１の前後方向の長さ）は、中央部２１ａの幅ｗ１（図１の前後方向の長さ）に等しい。中央部２１ａに巻かれる１次コイル２２は中央部２１ａから幅方向にはみ出す。１次コア２１は、隣接する１次コア２１との間に中央部２１ａからはみ出す１次コイル２２の厚みの分以上の間隔ｗ２を開けて、幅方向（図１の前後方向）に並べられる。１次コア２１間の間隔ｗ２は、２次コア２３の幅（図示しないが２次コア２３の幅もｗ１である）未満である。１次コア２１はフェライト製である。

図４に示すように、２次コア２３も、２次コイル２４が巻かれる中央部２３ａと、この中央部２３ａに対して約９０度曲がっている両端の対向部２３ｂと、を有して、断面Ｃ字状である。２次コア２３もフェライト製である。２次コア２３の形状と１次コア２１の形状は等しいので、詳しい説明を省略する。なお、２次コア２３の個数は１であるが、１に限られることはなく、２以上にすることができる。また、２次コア２３の幅は、１次コア２１の幅ｗ１と同一であるが、１次コア２１の幅ｗ１以上にすることができる。

図３に示すように、１次コア２１は、１次コイル２２の前後の方向の長さよりも長い１次筺体３１に収容及び保持される。１次筺体３１は、ベース３の収容部１３（図１参照）に取り付けられる。１次筺体３１は、１次コイル２２の側面（図３の１次コイル２２の底面）に対向する底部３１ａと、１次コイル２２の端面（図３の１次コイル２２の幅方向の端面）に対向する両端の側壁部３１ｂと、を有して、断面Ｃ字状である。１次筺体３１は、非磁性導電体（例えばアルミニウム）製である。１次筺体３１は、例えば押し出し成形により製造される。

１次筺体３１の側壁部３１ｂは、階段状である。すなわち、１次筺体３１の側壁部３１ｂは、１次コイル２２の端面に対向する第１壁面ｂ１と、１次コア２１が着座する座面ｂ２と、１次コア２１の対向部２１ｂに対向する第２壁面ｂ３と、を有する（図４も参照）。１次コア２１は、接着等の接合手段によって、座面ｂ２に固定される。

２次コア２３は、２次筺体３２に収容及び保持される。２次筺体３２の前後方向の長さは、２次コイル２４の前後方向の長さよりも長い。２次筺体３２の正面形状は、１次筺体３１の正面形状と同一である。２次筺体３２も、２次コイル２４の側面（図３の２次コイル２４の上面）に対向する底部３２ａと、２次コイル２４の端面（図３の２次コイル２４の幅方向の端面）に対向する両端の側壁部３２ｂと、を有して、断面Ｃ字状である。２次筺体３２は、非磁性導電体（例えばアルミニウム）製である。

２次筺体３２の側壁部３２ｂも、階段状である。すなわち、２次筺体３２の側壁部３２ｂは、２次コイル２４の端面に対向する第１壁面ｂ１と、２次コア２３が着座する座面ｂ２と、２次コア２３の対向部２３ｂに対向する第２壁面ｂ３と、を有する（図４も参照）。２次コア２３は、接着等の接合手段によって、座面２ｂに固定される。

図６は、２次筺体３２の他の例の斜視図を示す。この例では、２次筺体３６は、製造のし易さを考えて、底部３６ａと側壁部３６ｂとに２分割される。２次コア２３の対向部２３ｂは、２次筺体３６の側壁部３６ｂの底面から露出する。符号３６ｃは２次コイル２４の配線用の穴である。なお、１次筺体３１を２次筺体３２と同様に底部と側壁部とに２分割することも可能である。

図７は、１次筺体３１及び２次筺体３２の他の例を示す。この例では、シールド部材として、１次筺体３１の替わりに１次板材３７を用いている。そして、２次筺体３２の替わりに２次板材３８を用いている。１次板材３７及び２次板材３８は、非磁性導電体（例えばアルミニウム）製である。１次コア２１、１次コイル２２、２次コア２３、２次コイル２４の構成は、図３に示すものと同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。

本実施形態の電力伝送装置１によれば、以下の効果を奏する。１次コイル２２が前後方向に並べられ、２次コイル２４が前後方向に移動しても２次コイル２４が１次コイル２２の少なくとも１つに必ず対向する。このため、２次コイル２４を移動させながら、１次コイル２２と２次コイル２４との間で電力伝送を行うことができる。また、２次コア２３の移動に伴い、２次コア２３に対向する１次コア２１が切り替わる。各１次コア２１は、断面Ｃ字状であるので、各１次コア２１に発生する磁束を直上の２次コア２３に向かわせる。このため、１次コイル２２と２次コイル２４との結合係数を高くすることができる。

２次コア２３が断面Ｃ字状であるので、１次コイル２２と２次コイル２４の結合係数をより高くすることができる。

１次コア２１及び２次コア２３が平面視で４角形状であるので、給電効率の向上と１次コア２１及び２次コア２３の製造のし易さとを両立することができる。発明者は、１次コア２１及び２次コア２３を平面視で４角形状にしたときと平面視でＨ字状にしたときとで、給電効率を比較する実験を行ったところ、給電効率は両者で殆ど変わらないことを知見した。１次コア２１及び２次コア２３が断面Ｃ字状であり、互いに向かって磁束を発生させていることが原因である。また、１次コア２１を４角形状にすることで、１次コア２１の配列も容易である。

１次コイル２２が断面Ｃ字状のアルミニウム製の１次筺体３１で覆われるので、１次コア２１に発生する磁束が外部に漏れるのを防止し（１次筺体３１に発生するうず電流が、磁束が外部に漏れるのを防止する）、磁束を２次コア２３に向かわせることができる。このため、漏洩磁束の低減による主磁束の増加が図れ、同体積でより大きな電力伝送又は同電力でコンパクト化が可能になる。

同様に、２次コイル２４が断面Ｃ字状のアルミニウム製の２次筺体３２で覆われるので、２次コア２３に発生する磁束が外部に漏れるのを防止し、磁束を１次コア２１に向かわせることができる。

１次コア２１に対する２次コア２３の相対移動がリニアガイド７によって案内されるので、１次コア２１と２次コア２３の隙間を小さく一定に保った状態で、２次コア２３を相対移動させることができる。

１次コア２１が１次筺体３１に取り付けられるので、１次コア２１を固定するのが容易である。同様に、２次コア２３が２次筺体３２に取り付けられるので、２次コア２３を固定するのが容易である。

１次筺体３１の側壁部３１ｂが階段状であるので、１次コア２１及び１次コイル２２を１次筺体３１に効率的に収容することができ、１次コア２１を１次筺体３１に固定するのも容易である。同様に、２次筺体３２の側壁部３２ｂが階段状であるので、２次コア２３及び２次コイル２４を２次筺体３２に効率的に収容することができ、２次コア２３を２次筺体３２に固定するのが容易である。

１次コア２１に対向するベース３の側壁部３ｂが非磁性導電体であるので、新たなシールド部材を追加しなくてもアクチュエータ２の構成部品であるベース３によって、１次コア２１から放出される磁界をシールドすることができる。なお、２次コア２３に対向している１次コア２１だけでなく、２次コア２３に対向していない１次コア２１からも磁界が放出される。

図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、磁界解析の結果を示す。図８（ａ）は１次コア２１´及び２次コア２３´が平板状であり、シールド部材が１次板材３７及び２次板材３８である比較例を示し、図８（ｂ）は１次コア２１及び２次コア２３が断面Ｃ字状であり、シールド部材が１次板材３７及び２次板材３８である発明例１を示し、図８（ｃ）は１次コア２１及び２次コア２３が断面Ｃ字状であり、シールド部材が１次筺体３１及び２次筺体３２である発明例２を示す。１次コア２１，２１´及び２次コア２３，２３´の周辺のグレーの濃い部分が漏れ磁束である。１次コア２１，２１´及び２次コア２３，２３´内の白色の部分は、磁束密度が大きいことを意味する。

図８（ａ）と図８（ｂ）に示すように、１次コア２１及び２次コア２３が断面Ｃ字状であると、１次コア２１´及び２次コア２３´が平板状である場合に比べて、１次コア２１の磁束が無駄なく２次コア２３に回り、外部への漏れ磁束も少ないことがわかる。図８（ａ）のときの伝送電力：図８（ｂ）のときの伝送電力＝１：１．８であり、伝送電力が大幅に向上した。

図８（ｂ）と図８（ｃ）に示すように、さらに１次筺体３１及び２次筺体３２が断面Ｃ字状であると、外部への漏れ磁束が少なくなり、２次コイル２４に向かう磁束が大幅に増加することがわかる。図８（ｂ）のときの伝送電力：図８（ｃ）のときの伝送電力＝１：２．４であり、伝送電力が大幅に向上した。

図９は、１次コア２１が断面Ｃ字状であり、１次筺体３１が断面Ｃ字状であり、アクチュエータ２のベース３が非磁性導電体（アルミニウム）製である本発明例３を示す。１次コア２１周辺の白色の部分、グレーの濃い部分が漏れ磁束である。白色の部分はグレーの濃い部分よりも磁束密度が大きいことを意味する。２次コア２３に対向していない１次コア２１からも磁界が放出されるが、ベース３を非磁性導電体（アルミニウム）製にすることで、ベース３が磁界をシールドできることがわかる。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまな実施形態に具現化可能である。

上記の実施形態では、１軸のアクチュエータに本発明の電力伝送装置を適用した例を説明したが、２軸以上のアクチュエータにも本発明の電力伝送装置を適用することができる。

上記実施形態では、１次コア及び２次コアが断面Ｃ字状であるが、１次コアを断面Ｃ字状にし、２次コアを平板状にすることもできる。

１…非接触電力伝送装置、２…アクチュエータ、３…ベース、３ｂ…ベース側壁部（アクチュエータの、複数の１次コイルに対向する部分）、４…テーブル、７…リニアガイド、１１…送電部、１２…受電部、２１…１次コア、２１ａ…中央部、２１ｂ…対向部、２２…１次コイル、２３…２次コア、２３ａ…中央部、２３ｂ…対向部、２４…２次コイル、３１…１次筺体、３１ａ…底部、３１ｂ…側壁部、３２…２次筺体、３２ａ…底部、３２ｂ…側壁部、３６…２次筺体、３７…１次板材、３８…２次板材、ｂ１…第１壁面、ｂ２…座面、ｂ３…第２壁面

Claims (8)

1. 所定方向に並べられる複数の１次コアと、
   前記複数の１次コアに巻かれ、電力を送電する複数の１次コイルと、
   前記複数の１次コアに対して相対移動可能であり、前記複数の１次コアの少なくとも一つに隙間を介して対向する２次コアと、
   前記２次コアに巻かれ、電力を受電する２次コイルと、を備え、
   前記各１次コアは、前記各１次コイルが巻かれる中央部と、この中央部に対して曲がっている両端の対向部と、を有して、断面Ｃ字状である非接触電力伝送装置。
2. 前記２次コアは、前記２次コイルが巻かれる中央部と、この中央部に対して曲がっている両端の対向部と、を有して、断面Ｃ字状であることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記１次コア及び／又は前記２次コアは、平面視で４角形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記１次コイル及び／又は前記２次コイルは、前記１次コイル及び／又は前記２次コイルの側面に対向する底部と、前記１次コイル及び／又は前記２次コイルの端面に対向する側壁部と、を有する非磁性導電体の筺体に覆われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記１次コア及び／又は前記２次コアは、前記筺体に取り付けられることを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記筺体の前記側壁部は、前記１次コイル及び／又は前記２次コイルの前記端面に対向する第１壁面と、前記１次コア及び／又は前記２次コアが着座する座面と、前記１次コア及び／又は前記２次コアの前記対向部に対向する第２壁面と、を有して、階段状であることを特徴とする請求項５に記載の非接触電力伝送装置。
7. 前記１次コアに対する前記２次コアの相対移動が、リニアガイドによって案内されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置によって給電されるアクチュエータであって、
   前記アクチュエータの、前記複数の１次コイルに対向する部分が非磁性導電体であるアクチュエータ。