JP2019021722A - コイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】板状のフェライトコアにコイルを載置するタイプのコイルユニットにおいて、フェライトコアを効果的に放熱させるとともにコアの温度ムラを抑制する。【解決手段】コイル１６は、フェライト板３４の第１主表面側に設けられ、コイル１６の巻回軸の周囲を取り囲むように形成される。ケース３０は、フェライト板３４及びコイル１６を収容する。フェライト板３４を構成する各フェライトピース４５は、分割フェライト板４６，４７を含む。放熱部材８０は、フェライト板３４の第２主表面側に設けられ、フェライト板３４を平面視した場合に、分割フェライト板４６，４７の間であってコイル１６と重なる部分に配置されるようにケース３０のアッパーカバーと一体成型される。【選択図】図５

Description

本開示は、コイルユニットに関し、特に、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムに用いられるコイルユニットに関する。

送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムが知られている（たとえば特許文献１〜５参照）。このような電力伝送システムにおいては、コイル及びコア（フェライトコア）を有するコイルユニットを用いて電力伝送が行なわれ、コイルに電流が流れると、コアの鉄損によりコアが発熱する。コアが発熱してコアに熱分布が生じると、電力伝送効率の低下やコアに熱応力が発生する等の問題が生じる。

このような問題に対して、たとえば特開２０１５−８４３６６号公報には、コアの略全体において温度分布のムラの発生を抑制することが可能な受電部（コイルユニット）を備える受電装置が開示されている（特許文献６参照）。

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２０１５−８４３６６号公報

特許文献６に記載の受電装置の受電部は、板状のコアユニットの上面及び下面を含む周囲においてコイル巻回軸の周りに螺旋状にコイルが巻回された、所謂ソレノイドタイプのコイルユニットによって構成される。

一方、板状のフェライトコアにたとえば渦巻状のコイルが載置されるタイプのコイルユニットが知られている。このようなタイプのコイルユニットにおいても、フェライトコアを効果的に放熱させるとともにコアの温度ムラを抑制する必要がある。

本開示は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、板状のフェライトコアにコイルを載置するタイプのコイルユニットにおいて、フェライトコアを効果的に放熱させるとともにコアの温度ムラを抑制することである。

本開示のコイルユニットは、フェライトコアと、コイルと、樹脂製のケースと、放熱部材とを備える。フェライトコアは、第１主表面及び第２主表面を有する板状のコアである。コイルは、フェライトコアの第１主表面側に設けられ、フェライトコアの厚さ方向に延びる巻回軸の周囲を取り囲むように形成されている。ケースは、フェライトコア及びコイルを収容し、フェライトコアの第２主表面側に被取付部材への取付面を有する。フェライトコアは、複数の分割コアを含む。放熱部材は、フェライトコアの第２主表面側に設けられ、巻回軸が延びる方向からフェライトコアを平面視した場合に、隣接する分割コアの間であって少なくともコイルと重なる部分に配置されるように上記ケースと一体成型されている。

本開示のコイルユニットにおいては、上記の放熱部材が設けられることにより、フェライトコアから放熱部材を通じて被取付部材へ効果的に放熱される。また、フェライトコアを平面視した場合に、放熱部材は、隣接する分割コアの間であって少なくともコイルと重なる高温部に配置されるので、フェライトコアの温度ムラが抑制される。このように、本開示のコイルユニットによれば、フェライトコアを効果的に放熱させるとともに温度ムラを抑制することができる。

本開示の実施の形態１に従うコイルユニットが適用される電力伝送システムの全体図である。 図１に示す電力伝送システムの電気的な構成を示した図である。 コイルユニットの分解斜視図である。 コイルによる受電時に発熱するフェライト板の温度勾配を示した図である。 コイルユニットの平面図である。 図５中のVI-VI線に沿った断面図である。 実施の形態２に従うコイルユニットの平面図である。 図７中のVIII-VIII線に沿った断面図である。 変形例における放熱部材及びその周辺の断面図である。 他の変形例における放熱部材及びその周辺の断面図である。 さらに他の変形例における放熱部材及びその周辺の断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本開示の実施の形態１に従うコイルユニットが適用される電力伝送システムの全体図である。なお、以下では、車両外部の送電設備から車両へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムにコイルユニットが適用される場合について代表的に説明するが、本開示に従うコイルユニットは、車両用の電力伝送システムに適用が限定されるものではなく、その他の電力伝送システムにも適用可能である。

図１を参照して、電力伝送システム１は、車両２と、送電用のコイルユニット３とを備える。以下では、矢印Ｕ方向を「上方」や「上面」等と称し、矢印Ｄ方向を「下方」や「下面」等と称する場合がある。

車両２は、受電用のコイルユニット４と、蓄電装置５とを含む。コイルユニット３は、地面に設置される。蓄電装置５は、車両２のフロアパネル６の下面に配置される。コイルユニット４は、蓄電装置５のケース（金属製）の下面に取付けられる。

送電用のコイルユニット３は、電源部８から電力の供給を受ける。電源部８は、交流電源７（たとえば商用系統電源）から電力を受け、所定の伝送周波数を有する交流電力を生成してコイルユニット３へ供給する。コイルユニット３は、車両２のコイルユニット４がコイルユニット３に対向するように車両２の位置合わせが行なわれた状態において、コイルユニット４へ磁界を通じて非接触で送電するように構成される。

受電用のコイルユニット４は、コイルユニット４がコイルユニット３に対向するように車両２の位置合わせが行なわれた状態において、コイルユニット３から磁界を通じて非接触で送電される電力を受電するように構成される。コイルユニット４により受電された電力は、蓄電装置５に蓄えられる。

図２は、図１に示した電力伝送システム１の電気的な構成を示した図である。図２を参照して、送電用のコイルユニット３は、フィルタ回路２４と、共振回路２１とを含む。フィルタ回路２４は、電源部８と共振回路２１との間に設けられ、電源部８から発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路２４は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むＬＣ回路によって構成される。

なお、電源部８は、たとえば、力率改善（ＰＦＣ（Power Factor Correction））回路と、ＰＦＣ回路から受ける直流電力を、所定の伝送周波数（たとえば数十ｋＨｚ）を有する交流電力に変換するインバータとを含んで構成される。

共振回路２１は、コイル２３と、キャパシタ２２とを含む。キャパシタ２２は、コイル２３に直列に接続されてコイル２３と共振器を形成する。コイル２３及びキャパシタ２２によって構成される共振器の共振強度を示すＱ値は、１００以上であることが好ましい。なお、キャパシタ２２は、コイル２３に並列に接続されてもよいし、コイル２３のみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタ２２を設けなくてもよい。

車両２は、受電用のコイルユニット４と、リレー１５と、蓄電装置５とを含む。コイルユニット４は、共振回路１１と、機器１０とを含む。機器１０は、フィルタ回路１２と、整流回路１４とを含む。

共振回路１１は、コイル１６と、キャパシタ１７とを含む。キャパシタ１７は、コイル１６に直列に接続されてコイル１６と共振器を形成する。コイル１６及びキャパシタ１７によって構成される共振器のＱ値も、１００以上であることが好ましい。なお、キャパシタ１７についても、コイル１６に並列に接続されてもよいし、コイル１６のみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタ１７を設けなくてもよい。

フィルタ回路１２は、共振回路１１と整流回路１４との間に設けられ、共振回路１１による受電時に発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路１２は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むＬＣ回路によって構成される。整流回路１４は、共振回路１１によって受電された交流電力を整流して蓄電装置５へ出力する。整流回路１４は、整流器とともに平滑用のキャパシタを含んで構成される。

蓄電装置５は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池を含んで構成される。蓄電装置５は、コイルユニット４による受電中に整流回路１４から出力される電力を蓄える。そして、蓄電装置５は、その蓄えられた電力を図示しない動力生成装置へ供給する。

リレー１５は、整流回路１４と蓄電装置５との間に設けられる。リレー１５は、コイルユニット４による受電時にオン（導通状態）にされる。リレー１５は、たとえば蓄電装置５のケース内に設けられる。

この電力伝送システム１においては、電源部８からコイルユニット３へ所定の伝送周波数を有する交流電力が供給される。コイルユニット３及び車両２のコイルユニット４の各々は、コイルとキャパシタとを含み、伝送周波数において共振するように設計されている。電源部８からコイルユニット３へ交流電力が供給されると、コイルユニット３のコイル２３と車両２のコイルユニット４のコイル１６との間に形成される磁界を通じて、コイルユニット３からコイルユニット４へエネルギー（電力）が移動する。そして、コイルユニット４へ移動したエネルギー（電力）は、機器１０を通じて蓄電装置５へ供給される。

次に、図３から図６を用いて、本実施の形態１に従うコイルユニットの構成について詳細に説明する。なお、以下では、受電用のコイルユニット４について代表的に説明されるが、本実施の形態１に従うコイルユニットの特徴部分である放熱部材は、送電用のコイルユニット３にも適用されるものである。

図３は、コイルユニット４の分解斜視図である。図３を参照して、コイルユニット４は、ケース３０と、コイル１６と、フェライト板３４と、金属板３５と、基板３７と、機器１０と、放熱部材８０とを含む。コイル１６、フェライト板３４、金属板３５、基板３７、機器１０、及び放熱部材８０は、ケース３０に収容される。

ケース３０は、樹脂によって構成され、アンダーカバー３１と、アッパーカバー３２とを含む。アンダーカバー３１は、コイルユニット４の下面側に配置される。アッパーカバー３２は、コイルユニット４の上面側に配置される。

アンダーカバー３１は、下壁３８と、側壁３９と、支持壁４０とを含む。側壁３９は、下壁３８の外周縁部から上方に立ち上がるように形成されている。支持壁４０は、下壁３８の上面に形成されている。支持壁４０は、フェライト板３４を構成する分割フェライト板４６，４７（後述）の側周面を支持するように形成されている。

コイル１６は、インサート成形によってアンダーカバー３１と一体的に形成され、下壁３８内に埋め込まれている。コイル１６は、上下方向に延びる巻回軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線を巻回することで形成されている。コイル１６の中央部には、中空部が形成されている。この図３に示す例では、コイル１６に渦巻状の平板コイルが採用されているが、コイル１６としては各種形状のコイルを採用することができる。

フェライト板３４は、アンダーカバー３１の下壁３８の上面に配置される。このフェライト板３４は、コイル１６のコア（フェライトコア）として設けられる。フェライト板３４は、板状に形成されており、コイル載置面５０（第１主表面）と、背面５１（第２主表面）とを含む。コイル載置面５０側には、コイル１６が配置される。背面５１側には、金属板３５、基板３７、機器１０等が配置される。

フェライト板３４は、複数の角部４８を含む。隣り合う角部４８の間には、切欠部４９が形成されている。フェライト板３４は、複数のフェライトピース４５を含む。フェライトピース４５は、環状に配置されている。各フェライトピース４５によって角部４８が形成されている。各切欠部４９は、隣り合う２つのフェライトピース４５によって形成されている。

各フェライトピース４５は、分割フェライト板４６，４７を含む。分割フェライト板４６，４７は、フェライト板３４の中央から角部４８に向けて延びるように形成されている。分割フェライト板４６，４７がアンダーカバー３１の下壁３８の上面に配置されると、分割フェライト板４６，４７の側周面は、支持壁４０によって支持される。

金属板３５は、フェライト板３４の背面５１側に配置される。金属板３５は、たとえば、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属によって構成される。金属板３５は、板状に形成されており、下面５２及び上面５３を含む。

基板３７は、金属板３５の上面５３に配置されている。基板３７は、板状に形成されており、下面７５及び上面７６を含む。基板３７の横には、機器１０（フィルタ回路１２や整流回路１４等）が配置されている。

そして、基板３７の上面７６側にアッパーカバー３２が設けられ、アンダーカバー３１とともにケース３０が形成されている。アッパーカバー３２は、上壁７７を含む。このコイルユニット４は、上壁７７の上面において、被取付部材である蓄電装置５のケース（図示せず）の下面に取付けられる。

放熱部材８０は、インサート成形によってアッパーカバー３２と一体的に形成され、アッパーカバー３２の上壁７７内に埋め込まれている。放熱部材８０は、熱伝導率の高い金属等によって構成され、コイル１６による受電時に発熱するフェライト板３４からコイルユニット４が取付けられる蓄電装置５のケース（金属製）へ効果的に放熱させるためのものである。

すなわち、この実施の形態１に従うコイルユニット４は、金属製のケースに比べて軽量であるが放熱性の劣る樹脂製のケース３０によって構成されているところ、インサート成形によってアッパーカバー３２と一体的に形成されている放熱部材８０によって、フェライト板３４の熱を被取付部材である蓄電装置５のケース（金属製）へ効果的に逃がすことができる。放熱部材８０の配置構成については、後ほど詳しく説明する。

図４は、コイル１６による受電時に発熱するフェライト板３４の温度勾配を示した図である。この図４では、フェライト板３４を構成する複数のフェライトピース４５の一つが示されている。

図４を参照して、フェライト板３４は、コイル１６の直下において、磁束密度が高いために鉄損による発熱が大きくなることにより、温度が上昇する。特に、コイル１６の曲げ部においては、コイル１６の直線部よりも磁束密度が高く、フェライトピース４５の温度上昇が顕著となる。そして、電力伝送に伴なう発熱によりフェライトピース４５の温度ムラが大きくなると、電力伝送効率の低下や、フェライトピース４５を構成する各分割フェライト板４６，４７に熱応力が発生する等の問題が生じる。

そこで、この実施の形態１に従うコイルユニット４では、フェライト板３４の背面５１側に放熱部材８０が設けられ、放熱部材８０は、コイルユニット４の上方からフェライト板３４を平面視した場合に、分割フェライト板４６，４７の間であってコイル１６と重なる部分に配置されるように、インサート成形によってアッパーカバー３２と一体的に形成される。これにより、フェライト板３４の高温部から放熱部材８０を通じて被取付部材の蓄電装置５のケースへ効果的に放熱され、フェライトピース４５（分割フェライト板４６，４７）の温度ムラが抑制される。

図５は、コイルユニット４の平面図である。また、図６は、図５中のVI-VI線に沿った断面図である。なお、図５では、分割フェライト板４６，４７と放熱部材８０との平面的な位置関係が理解できるように、フェライトピース４５（フェライト板３４）よりも上方の部材については、放熱部材８０を除いて図示を省略している。

図５及び図６を参照して、コイルユニット４の上方からコイルユニット４を平面視した場合に（図５）、放熱部材８０は、分割フェライト板４６，４７の間であってコイル１６と重なる部分に配置されている。フェライトピース４５は、コイル１６の直下において温度が上昇し、さらにコイル１６の曲げ部においては温度上昇が顕著であることから、特に温度上昇が顕著な部分の放熱性を高めてフェライトピース４５（フェライト板３４）の温度ムラを抑制するために、上述のように放熱部材８０を配置することとしたものである。

このコイルユニット４は、軽量性の観点等から樹脂製のケース３０によって構成されており、金属製のケースが用いられる場合に比べて放熱性が劣る可能性があるところ、このコイルユニット４では、放熱部材８０は、インサート成形によってケース３０のアッパーカバー３２と一体的に形成されている。これにより、フェライトピース４５（フェライト板３４）と、コイルユニット４が取付けられる蓄電装置５のケースとの熱伝導性が放熱部材８０によって確保され、コイルユニット４から放熱部材８０を通じて蓄電装置５のケースへ効果的に放熱させることができる。

以上のように、この実施の形態１においては、インサート成形によってケース３０（アッパーカバー３２）と一体的に形成される放熱部材８０が設けられることにより、フェライト板３４から放熱部材８０を通じて被取付部材の蓄電装置５のケースへ効果的に放熱される。また、フェライト板３４を平面視した場合に、放熱部材８０は、分割フェライト板４６，４７の間であってコイル１６と重なる高温部に配置されるので、フェライト板３４の温度ムラが抑制される。したがって、この実施の形態１によれば、フェライト板３４を効果的に放熱させるとともに温度ムラを抑制することができる。

［実施の形態２］
この実施の形態２では、フェライト板３４の放熱性をさらに高めるために、フェライト板３４を構成する各分割フェライト板４６，４７の上面（フェライト板３４の背面５１側）に放熱材がさらに設けられる。

この実施の形態２における電力伝送システム１Ａは、図１，図２に示した実施の形態１における電力伝送システム１において、コイルユニット４に代えてコイルユニット４Ａを備える。

図７は、実施の形態２に従うコイルユニット４Ａの平面図である。また、図８は、図７中のVIII-VIII線に沿った断面図である。この図７及び図８は、実施の形態１で説明した図５及び図６にそれぞれ対応するものである。

図７及び図８を参照して、実施の形態２に従うコイルユニット４Ａは、実施の形態１で説明したコイルユニット４の構成において、複数の放熱材８２をさらに含む。

複数の放熱材８２は、それぞれ複数の分割フェライト板４６，４７の上面に設けられ、熱伝導率の高いグリースや放熱シート等によって構成される。このような放熱材８２が設けられることにより、フェライト板３４（分割フェライト板４６，４７）から金属板３５への熱伝導性を高め、フェライト板３４から放熱部材８０を通じて蓄電装置５のケースへより効果的に放熱させることができる。

［変形例］
上記の実施の形態１，２では、図６，図８で示したように、インサート成形によって樹脂製のアッパーカバー３２（ケース３０）と一体的に形成される放熱部材８０は、金属板３５側においては樹脂で覆われておらず、被取付部材の蓄電装置５側においては樹脂で薄く覆われているが、放熱部材８０の構成はこれに限定されるものではない。

図９に示されるように、放熱部材８０は、被取付部材（蓄電装置５）側においては樹脂で覆われず、金属板３５側において樹脂で薄く覆われる構成であってもよい。或いは、図１０に示されるように、放熱部材８０は、金属板３５側及び蓄電装置５側の双方において樹脂で薄く覆われる構成であってもよい。或いは、図１１に示されるように、放熱部材８０は、金属板３５側及び蓄電装置５側の双方において樹脂で覆われていない構成であってもよい。

また、上記の実施の形態１，２では、図５，図７で示したように、コイルユニット４，４Ａを平面視した場合に、放熱部材８０は、コイル１６と重なる部分に配置されるものとしたが、コイル１６の外周側へ延長させた構成としてもよいし、コイル１６の内周側へ延長させた構成としてもよい。

今回開示された各実施の形態は、技術的に矛盾しない範囲で適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、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、上記した実施の形態の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及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。

１ 電力伝送システム、２ 車両、３，４，４Ａ コイルユニット、５ 蓄電装置、６ フロアパネル、７ 交流電源、８ 電源部、１０ 機器、１１，２１ 共振回路、１２，２４ フィルタ回路、１４ 整流回路、１５ リレー、１６，２３ コイル、１７，２２ キャパシタ、３０ ケース、３１ アンダーカバー、３２ アッパーカバー、３４ フェライト板、３５ 金属板、３７ 基板、３８ 下壁、３９ 側壁、４０ 支持壁、４５ フェライトピース、４６，４７ 分割フェライト板、４８ 角部、４９ 切欠部、５０ コイル載置面、５１ 背面、５２，７５ 下面、５３，７６ 上面、７７ 上壁、８０ 放熱部材、８２ 放熱材、Ｏ１ 巻回軸。

Claims (1)

1. 第１主表面及び第２主表面を有する板状のフェライトコアと、
   前記フェライトコアの前記第１主表面側に設けられ、前記フェライトコアの厚さ方向に延びる巻回軸の周囲を取り囲むように形成されるコイルと、
   前記フェライトコア及び前記コイルを収容し、前記フェライトコアの前記第２主表面側に被取付部材への取付面を有する樹脂製のケースとを備え、
   前記フェライトコアは、複数の分割コアを含み、さらに、
   前記フェライトコアの前記第２主表面側に設けられ、前記巻回軸が延びる方向から前記フェライトコアを平面視した場合に、隣接する分割コアの間であって少なくとも前記コイルと重なる部分に配置されるように前記ケースと一体成型された放熱部材を備える、コイルユニット。

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