JP2022075489A - ソレノイドコイルユニット及び非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置ずれに対するロバスト性、高い給電効率、軽量化の全てを高い次元で成立させるソレノイドコイルユニットと非接触給電装置を提供する。【解決手段】ソレノイドコイルユニットは、他のソレノイドコイルに対して、中心軸方向に直交する離間方向に所定の離間距離を隔てて並列に設置されるソレノイドコイルと、前記ソレノイドコイルが巻回され、前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さより長い棒状コアと、を備える。前記棒状コアは、前記ソレノイドコイルが巻回された中央部と、前記棒状コアの両端に位置し、前記ソレノイドコイルの両端から延び出ている端部と、を有し、前記中央部の幅に対する長さの比率は２以上であり、前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さは、前記離間距離の略２倍である。【選択図】図９

Description

本開示は、磁界結合によって給電側から受電側に非接触で電力を伝送する非接触給電装置及び、非接触給電装置に用いるソレノイドコイルユニットに関するものである。

近年、電子デバイスや電動モビリティ等に対し、ケーブルを用いることなく電力を伝送する、非接触給電装置が注目されている。具体的には、受電側ユニットを搭載した電気自動車などに対し、駐車場に設置された給電側ユニットを用いて非接触で充電したり、或いは走行中に道路側に設置された給電側ユニットを用いて非接触で充電したりすることが可能となる技術である。

非接触給電装置に用いられるコイルユニットの方式は、大きく、図１６（Ａ）に示すサーキュラー型と、図１６（Ｂ）に示すソレノイド型に分けることができる。図１６（Ａ）に示すように、サーキュラーコイルユニット１００Ａは円盤状のフェライトコア１０２Ａの片面に同心円上にコイル１０１Ａを巻いた構成を有しており、片側巻方式とも呼ばれる。図１６（Ｂ）に示すように、ソレノイドコイルユニット１００Ｂは平板状のフェライトコア１０２Ｂにコイル１０１Ｂを巻回した構成を有しており、両側巻方式とも呼ばれる。

いずれの方式においても、電力を伝送する効率の低下は損失が増えるのみでなく発熱の原因となることから、非接触給電装置としての伝送効率を上げることは極めて重要な課題となる。伝送効率を上げるためには、給電側ユニットと受電側ユニットの間の結合係数ｋを高くし、コイルのＱ値を大きくすることが重要な事項であることが知られている。

一般的には、サーキュラーコイルユニットは結合係数ｋが高い反面、給電側ユニットと受電側ユニットの位置ずれに対する許容量が小さい特性がある。一方、ソレノイドコイルユニットは背面に漏れ磁束があり結合係数が若干低くなるものの、位置ずれに対する許容量が大きい特性があるといわれている（特許文献１）。給電側ユニットと受電側ユニットの位置ずれに対する許容量は「ロバスト性」と呼ばれ、非接触給電の社会実装に向けた大きな課題となっている。

ハイブリッドカーや電気自動車などの電動モビリティへの非接触給電技術に関しては、将来的には走行中の給電を可能とする技術が必要になると考えられている。走行中給電を想定した場合は、モビリティの前後の移動方向の位置ずれと前後の移動方向に直交する移動方向である横方向への位置ずれの両方に対して、ロバスト性を高く確保することが求められる。

図１７に、非特許文献１の図４．２に基づく、Ｈ型コアを用いたソレノイド型とサーキュラー型の各コイルユニットにおけるロバスト性を示すグラフを示す。グラフＨｘ，Ｈｙはそれぞれ、ソレノイド型のコイルユニットについてのｘ方向およびｙ方向への位置ずれによる結合係数の変化を示しており、グラフＣｒは、サーキュラー型のコイルユニットの位置ずれによる結合係数の変化を示している。横軸に示す位置ずれ量が大きくなると、サーキュラーコイルユニットは急激に結合係数が減少して電力伝送ができない状態になる。Ｈ型コアを用いたソレノイドコイルユニットの場合は、ソレノイドコイルの特性により、サーキュラーコイルユニットよりも位置ずれに対するロバスト性は高い。しかしながら、Ｈ型コアの形状の特性上、位置ずれの方向や位置ずれ量によっては、結合係数が著しく低下する場合があり、依然として改良の余地があると言える。

また、電動モビリティへの非接触給電を考えた場合、給電側コイルユニットと受電側コイルユニットとの間には車種に応じて１００ｍｍ～２５０ｍｍ程度のギャップが存在することになる。このギャップに対応できるコイルユニットを具体的に設計すると、従来のサーキュラー型やソレノイド型のコイルユニットでは重くなりすぎる問題がある。この点、特許文献１には、コイルユニットの軽量化を目的として、平板状コアのうちコイルが巻回されている被コイル部の幅を、コイルが巻回されていない磁極部の幅より細くしたＨ型コアを採用したソレノイドコイルユニットが開示されている。

特許文献１に開示されているＨ型コアを用いると、ソレノイドコイルユニットは、従来の平板状のものよりは軽量化することが可能である。しかしながら、非特許文献２に開示されている実験条件の詳細によると、コイル間のギャップは７０ｍｍ～１００ｍｍ程度で設計されている。これを、給電性能を維持したまま２００ｍｍ程度のギャップに対応させるためには、ソレノイドコイルユニットが大型化する可能性があり、結果として、Ｈ型コアの実用化にはさらなる軽量化が必要となる可能性がある。実際、これまでの実証実験で用いられたコイルユニットの重量は、出力に応じて数十ｋｇから１００ｋｇの重さになっており、モビリティに搭載することは現実的ではないことがわかる。

特開２０１１－５０１２７号公報

山田潤 学位論文「電気自動車用走行中非接触給電に適したコイル形状と共振回路方式の基礎的検討」２０１８年３月 埼玉大学大学院理工学研究科 千明、長塚、金子、阿部、保田、鈴木 「新コア構造による電気自動車用非接触給電トランスの小型軽量化」（ＳＰＣ－１１－０４８）

以上のように、特許文献１に開示されているＨ型コアを採用したソレノイドコイルユニットを用いることで、一定の軽量化とロバスト性を実現することができる。しかしながら、これから始まる非接触給電の本格的な社会実装と、走行中給電を見据えたコイル方式の選択を考慮すると、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを満たす状態には達しているとは言ない。

本開示の目的は、非接触給電の本格的な社会実装に向けて、「結合係数」、「ロバスト性」、「軽量化」の全てを高い次元で成立させるソレノイドコイルユニットと当該ソレノイドコイルユニットを用いた非接触給電装置を提供することにある。

上述した課題を解決するための第１の形態は、他のソレノイドコイルユニットと非接触で電力の授受を行うソレノイドコイルユニットとして提供される。この形態のソレノイドコイルユニットは、前記他のソレノイドコイルユニットが備える他のソレノイドコイルに対して、中心軸方向に直交する離間方向に所定の離間距離を隔てて並列に設置されるソレノイドコイルと、前記ソレノイドコイルが巻回され、前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さより長い棒状コアと、を備える。前記棒状コアは、前記ソレノイドコイルが巻回された中央部と、前記ソレノイドコイルの両端から延び出ている端部と、を有し、前記中央部の幅に対する長さの比率は２以上であり、前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さは、前記離間距離の略２倍である。

第２の形態においては、前記中央部の幅に対する長さの比率が８以上でよい。

第３の形態においては、前記中央部の長さをＬとし、前記中央部の幅をｗとするとき、２≦Ｌ／ｗ≦１６の関係が満たされてよい。

第４の形態においては、前記ソレノイドコイルと同じ構成の前記他のソレノイドコイルと、前記棒状コアと同じ構成の他の棒状コアと、を備える他のソレノイドコイルユニットに対して、２００ｍｍの前記離間距離を隔てて位置ずれなく設置したときの結合係数ｋが、０．１７以上０．２未満でよい。

第５の形態においては、前記端部には、前記中央部よりも厚みが小さく、当該端部から張り出している板状の追加磁極部が設けられていてよい。

第６の形態においては、前記追加磁極部の長さは、前記中央部の幅より大きくてよい。

第７の形態においては、前記追加磁極部の長さと幅がほぼ等しくてよい。

第８の形態は、非接触給電装置として提供される。この形態の非接触給電装置は、上記のいずれかの形態のソレノイドコイルユニットである第１のソレノイドコイルユニットと、前記他のソレノイドコイルユニットである第２のソレノイドコイルユニットと、を備え、前記第１と第２のソレノイドコイルユニットの間において相互誘導を生じさせて電力を授受する。

上記第１の形態のソレノイドコイルユニットによれば、他のソレノイドコイルユニットとの間の離間距離が増大しても、棒状コアを離間距離に応じた長さで細長く構成できるため、重量の増大を抑制しながら高い結合係数を得ることができる。また、そのような細長い棒状コアを備えているソレノイドコイルユニットであれば、従来の円盤状コア、平板状コア、Ｈ型コア等を用いた場合よりも位置ずれによる結合係数の低下を抑制でき、高いロバスト性を実現することができる。よって、上記第１の形態のソレノイドコイルユニットによれば、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを高い次元で成立させることが可能である。

上記第２の形態のソレノイドコイルユニットによれば、棒状コアが、より細長く構成されるため、ソレノイドコイルユニットの重量の増大を抑制しながら、結合係数をさらに高めることができる。また、同時に、高いロバスト性を実現することもできる。

上記第３の形態のソレノイドコイルユニットによれば、重量が著しく大きくなることを抑制しつつ、他のソレノイドコイルユニットとの間の結合係数が著しく低い値となることを抑制できる。よって、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを、さらに高い次元で成立させることが可能である。

上記第４の形態のソレノイドコイルユニットによれば、ソレノイドコイルユニットの重量増加の抑制と結合係数の向上の両方を、より一層、高い次元で両立させることができる。よって、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを、より一層、高い次元で成立させることが可能である。

上記第５の形態のソレノイドコイルによれば、追加磁極部を設けることにより、棒状コアの中央部を小型化した場合でも、結合係数を高めることができる。また、追加磁極部は厚みを小さくすることにより軽量化が可能であるため、ソレノイドコイルの重量の増加を抑制しながら結合係数を効果的に高めることが可能である。また、追加磁極部が設けられていれば、他のソレノイドコイルユニットに対する位置ずれによる結合係数の低下を、さらに抑制することができる。よって、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを、より高い次元で成立させることが可能である。

上記第６の形態のソレノイドコイルによれば、追加磁極部が幅方向に拡大されるため、より一層、高い結合係数とロバスト性とを得ることができる。

上記第７の形態のソレノイドコイルユニットによれば、中心軸方向および幅方向の両方向に追加磁極部が拡大される。そのため、結合係数を高めながら、他のソレノイドコイルユニットに対する中心軸方向および幅方向の両方向への位置ずれに対するロバスト性を、さらに高めることができる。

上記第８の形態の非接触給電装置によれば、上記形態のソレノイドコイルユニットを備えているため、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを高い次元で成立させることが可能となる。

第１実施形態に係るソレノイドコイルユニットの概略正面図、概略平面図、および、概略側面図。 第１実施形態に係るソレノイドコイルユニットを用いた非接触給電装置の構成を示す模式図。 一対のソレノイドコイルユニットで生じる磁束を説明するための模式図。 ソレノイドコイルの長さと結合係数に関するグラフを示す説明図。 透磁率と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。 棒状コアの断面積と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。 棒状コアの断面積に対する結合係数の割合と棒状コアの断面積との関係を表すグラフを示す説明図。 第２実施形態に係るソレノイドコイルユニットの概略正面図、概略平面図、および、概略側面図。 第２実施形態に係るソレノイドコイルユニットを用いた非接触給電装置の構成を示す模式図。 追加磁極部の寸法と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。 追加磁極部の面積と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。 離間距離と結合係数の関係を表すグラフを示す説明図。 一対のソレノイドコイルユニットが幅方向に位置ずれしている状態を示す模式図。 一対のソレノイドコイルユニットが中心軸方向に位置ずれしている状態を示す模式図。 位置ずれ量と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。 従来の非接触給電装置に用いられるサーキュラー型とソレノイド型のコイルユニットの概略正面図と概略平面図。 従来のコイルユニットにおけるロバスト性を表すグラフを示す説明図。

以下、本開示のソレノイドコイルユニット及び非接触給電装置の実施形態を、図を参照して詳細に説明する。

１．第１実施形態：
図１に第１実施形態に係るソレノイドコイルユニット５０の概略正面図、概略平面図、および、概略側面図を示す。ソレノイドコイルユニット５０は、ソレノイドコイル１０を備える。

図１には、ソレノイドコイル１０の中心軸ＣＸを一点鎖線で図示してある。以下、中心軸ＣＸに沿った方向を単に「中心軸方向」とも呼ぶ。図１には、中心軸方向に相当するｙ方向を示す矢印と、ｙ方向に直交するｘ方向を示す矢印と、を図示してある。ｘ方向は、中心軸方向と後述する離間方向とに直交する「幅方向」に相当する。以下において、ソレノイドコイルユニットの寸法に関して、「長さ」と言うときは、ｙ方向における寸法を意味し、「幅」と言うときは、ｘ方向における寸法を意味し、「厚み」というときは、ｘ方向とｙ方向とに直交する離間方向における寸法を意味する。

ソレノイドコイル１０は絶縁被覆された電線を螺旋状に密に巻いたもので、電線に電流を流すことによって中心軸方向に磁場を発生させる。磁束の乱れや漏れを極力低減するため、電線は均一かつ規則的に巻回されていることが望ましい。ソレノイドコイル１０の長さはＬである。なお、図では、電線一本一本の表現は省略している。ソレノイドコイル１０における電線の巻回方向は、ｘ方向に沿った方向である。

ソレノイドコイルユニット５０は、さらに、ソレノイドコイル１０が巻回されている棒状コア２０を備える。棒状コア２０の中心軸は、ソレノイドコイル１０の中心軸ＣＸに一致し、ｙ方向は、棒状コア２０の長手方向に相当する。棒状コア２０は、例えば、フェライトなどの強磁性体によって構成される。棒状コア２０の長手方向に垂直な断面における断面形状は、特に限定されることはなく、図示されているように略四角形状であってもよいし、正円形状や、楕円形状であってもよい。

棒状コア２０はソレノイドコイルの長さＬより長く作られている。棒状コア２０は、ソレノイドコイル１０に巻回されている中央部２１と、棒状コア２０の両端に位置し、ソレノイドコイル１０の両端から延び出ている端部２２と、を有する。ソレノイドコイル１０の長さはソレノイドコイルの長さＬと一致する。以下、中央部２１の長さについても「Ｌ」と表記する。棒状コア２０の一対の端部２２は、ソレノイドコイルユニット５０の磁極として機能する。

なお、図１に示すように、棒状コア２０の厚みｔは、中央部２１の長さＬ、および、棒状コア２０の幅ｗよりも小さい。棒状コア２０の厚みは、特に限定されることはなく、例えば、中央部２１の幅以上であってもよい。

図２および図３は、一対のソレノイドコイルユニット５０，５０ａを所定の離間距離Ｇの間隔を設けて並列に配置した状態を示す模式図である。図３には、磁束ＭＦを一点鎖線で図示してある。また、図３では、ソレノイドコイル１０を構成する電線を模式的に図示してある。

一対のソレノイドコイルユニット５０，５０ａは、非接触給電装置５５を構成しており、ソレノイドコイルユニット５０は、離間して配置されている他のソレノイドコイルユニット５０ａと非接触で電力の授受を行う。以下、本実施形態のソレノイドコイルユニット５０を「第１のソレノイドコイルユニット５０」とも呼び、他のソレノイドコイルユニット５０ａを「第２のソレノイドコイルユニット５０ａ」とも呼ぶ。

本実施形態では、第２のソレノイドコイルユニット５０ａは、第１のソレノイドコイルユニット５０と同じ構成を有している。第２のソレノイドコイルユニット５０ａは、第１のソレノイドコイルユニット５０が備えているのと同じ構成のソレノイドコイル１０、および、棒状コア２０を備え、第１のソレノイドコイルユニット５０と自己インダクタンスが同じである。

非接触給電装置５５では、２つのソレノイドコイルユニット５０，５０ａは、離間方向に離間して並列に設置されている。ここでの「離間方向」は、ｘ方向とｙ方向とに直交するｚ方向に相当し、棒状コア２０の厚み方向に相当する。また、本明細書において「並列」とは、一の直線が他の直線に沿っている状態を意味しており、２つの直線が数学的に厳密に「平行」に配置されている状態と、一の直線が他の直線に対して数°程度の傾斜角を有している状態と、を含む概念である。

非接触給電装置５５では、第２のソレノイドコイルユニット５０ａは、離間距離Ｇを隔てて位置ずれなく設置される。つまり、非接触給電装置５５では、離間方向に見たときに、第１のソレノイドコイルユニット５０は、第２のソレノイドコイルユニット５０ａと重なり合う位置に設置される。このような配置にすることで、図３に示すように、一対のソレノイドコイルユニット５０，５０ａのうち、電流が流された一方のソレノイドコイルユニットで生じた磁束ＭＦの一部が、他方のソレノイドコイルユニットを構成するソレノイドコイル１０の棒状コア２０を通り、前記一方のソレノイドコイルユニットに戻ることで、相互誘導を生じさせて電力を授受することが可能となる。なお、本明細書において、「結合係数」と言うときは、特に断らない限り、図２および図３に示すように、離間方向に離間して並列に配置されている同じ構成の２つのコイルを位置ずれなく設置したときの値である。

図４は、２つの同じ構成のソレノイドコイルを、離間距離Ｇを隔てて並列に配置したときの、離間距離Ｇに対するソレノイドコイルの長さＬと、当該長さＬに対する結合係数ｋと、の関係を示すグラフである。本願発明の発明者は最も効率よく高い結合係数ｋを得るため、一対のソレノイドコイル間の離間距離Ｇとソレノイドコイルの長さＬとの関係を実験とシミュレーションを用いて精査した。離間距離Ｇは、非接触給電装置５５の用途に応じて決まってくるものであり、ここでは電動モビリティへの非接触給電を想定して２００ｍｍを一例として採用している。この場合、図４に示すように、最も効率よく高い結合係数ｋを得ることができるソレノイドコイルの長さＬは、離間距離Ｇの略２倍、つまり、Ｌ≒２Ｇであることが明らかとなった。本願発明の発明者の実験例では、G＝２００ｍｍで、Ｌ＝４００ｍｍとしたときの結合係数ｋの値は０．０８８となった。

ソレノイドコイルユニットをＬ＜２Ｇの範囲で設計すると、十分な結合係数ｋを得ることが難しくなり、Ｌ＞２Ｇの範囲で設計すると、ソレノイドコイルユニットが必要以上に大型化して軽量化することが困難となる。なお、図４に示された関係は、離間距離Ｇが２００ｍｍであるときには限定されない。離間距離Ｇを、例えば、１５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲内の任意の値で設定した場合や、１８０ｍｍ以上２２０ｍｍ以下の範囲内の任意の値で設定した場合でも同様の関係が得られる。また、Ｌの値は２Ｇの一点に限定されるものではなく、用途や設計に応じた所定の幅が許容されるものであり、一例として１０％程度の誤差を許容する。よって、離間距離Ｇの略２倍であるソレノイドコイルの長さＬは、１．８Ｇ以上２．２Ｇ以下の範囲内で設定されることが許容される。本明細書において、「Ｌ≒２Ｇ」との表記は、Ｌが１．８Ｇ以上２．２Ｇ以下の範囲内の任意の値であることを意味している。

本実施形態では、ソレノイドコイル１０の長さＬがＬ≒２Ｇの条件を満たすように構成されている。これにより、結合係数ｋを高く維持しながら、棒状コア２０を、軽量化が可能な形状に設計することが可能となる。また、本実施形態のソレノイドコイルユニット５０は、棒状コア２０の中央部２１の長さＬは、幅ｗの２倍以上、つまり、Ｌ≧２ｗに設計される。このようにすれば、棒状コア２０を、幅ｗが小さい細長い形状とできるため、ソレノイドコイルユニット５０の重量の増大を抑制しながら結合係数ｋが所望の高い値になるように、ソレノイドコイル１０の長さＬを大きくすることができる。

ソレノイドコイルユニット５０では、棒状コア２０の中心軸方向における中央部２１の長さＬは、中央部２１の幅ｗに対する比率が３倍以上であることが好ましく、４倍以上であることがさらに好ましい。また、中央部２１の長さＬは、中央部２１の幅ｗに対する比率が８以上、つまり、Ｌ≧８ｗとすることも可能である。このようにすれば、ソレノイドコイルユニット１０をより細長い棒状の形状とすることができ、ソレノイドコイルユニット１０の重量の増大を抑制しながら、その結合係数ｋをさらに高めることができる。

なお、軽量化のみの観点では棒状コアは細いほど効果があるが、実際には、機械的強度や巻回する絶縁電線の仕様、磁束密度の飽和を回避できる程度の断面積の確保などを踏まえてＬ／ｗの最大値が決定されることが好ましい。

図５に、非接触給電装置５５において棒状コア２０の透磁率を変更したときの結合係数ｋを示すグラフを示す。高い結合係数ｋを得るためには、棒状コア２０は、透磁率が１５００Ｈ／ｍ以上の材料で構成されることが好ましく、透磁率が２０００Ｈ／ｍ以上の材料で構成されることがより好ましい。棒状コア２０は、透磁率が２５００Ｈ／ｍ以上の材料で構成されることがさらに好ましい。また、棒状コア２０は、透磁率が３０００Ｈ／ｍより大きい材料で構成されたとしても結合係数ｋが著しく高くなることは期待できない。よって、棒状コア２０は、透磁率が、３０００Ｈ／ｍ以下の材料で構成されていることが好ましい。

図６に、非接触給電装置５５における棒状コア２０の断面積Ｓと結合係数ｋとの関係を表すグラフを示す。図７に、棒状コア２０の断面積Ｓに対する結合係数ｋの割合ｋ／Ｓと断面積Ｓとの関係を表すグラフを示す。図６および図７のグラフは、本願発明者が研究を重ねて独自に得たものである。図６および図７のグラフでの結合係数ｋは、２つのソレノイドコイルユニット１０，１０ａの間の離間距離Ｇを２００ｍｍとしたときの値である。また、図６および図７のグラフにおいて、断面積Ｓがｓ１以上ｓ２未満の領域は、結合係数ｋが１．７以上２．０未満の領域に相当する。

棒状コア２０の断面積Ｓは、中心軸方向に直交する断面における中央部２１の断面積に相当する。図６に示すように、棒状コア２０の断面積Ｓが大きいほど結合係数ｋを高めることができる。ただし、断面積Ｓを大きくすることは、棒状コア２０の大型化につながり、ソレノイドコイルユニット５０の重量増加につながる。

ここで、図６および図７に示すように、結合係数ｋが０．２以上の領域では、断面積Ｓを増加させても、結合係数ｋがあまり増加しない。結合係数ｋが０．２より大きくなるように断面積Ｓを大きくすると、棒状コア２０の重量が著しく大きくなってしまう可能性があり、好ましくない。よって、ソレノイドコイルユニット５０では、結合係数ｋが０．２未満となる断面積Ｓで棒状コア２０を設計した方が、ソレノイドコイルユニット５０の重量あたりの結合係数ｋの値を高くすることができ、より軽量で高い給電性能を得ることが可能となる。

また、図６および図７に示すように、結合係数ｋが０．１７未満となる領域では、断面積Ｓの減少量に対する結合係数ｋの低下量が著しく大きくなる。そのため、結合係数ｋが０．１７未満となるような断面積Ｓでは、ソレノイドコイルユニット５０を軽量化できたとしても、給電性能が著しく低下してしまう可能性が高い。よって、ソレノイドコイルユニット５０では、結合係数ｋが０．１７以上となる断面積Ｓで棒状コア２０を設計することが好ましい。

このように、ソレノイドコイルユニット５０では、結合係数ｋが０．１７以上０．２未満となるように棒状コア２０を設計することが好ましい。結合係数ｋは高いほど好ましいため、ソレノイドコイルユニット５０では、結合係数ｋが０．１７５以上となるように棒状コア２０を設計することがより好ましく、結合係数ｋが０．１８以上となるように棒状コア２０を設計することが、さらに好ましい。ソレノイドコイルユニット５０では、結合係数ｋが０．１９以上となるように設計することが、より一層、好ましい。

また、本願発明の発明者は、図６および図７のグラフから、棒状コア２０では、中央部２１の幅ｗに対する長さＬの割合Ｌ／ｗが、２≦Ｌ／ｗ≦１６の関係を満たしていることが好ましいとの知見を導き出した。この関係が満たされていれば、棒状コア２０の断面積Ｓが小さくなりすぎて、結合係数ｋが著しく低い値となることを抑制できる。また、棒状コア２０の断面積Ｓが大きくなりすぎて、ソレノイドコイルユニット５０の重量が著しく大きい値となることを抑制できる。

本実施形態では、ソレノイドコイルユニット５０のソレノイドコイル１０は、ソレノイド型であるため、図１６（Ａ）に示されているような従来のサーキュラー型のコイルユニットよりも、非接触給電の際のロバスト性が高い。また、ソレノイドコイルユニット５０は、従来のソレノイド型のコイルユニットよりも、中心軸方向の長さが大きいため、従来のソレノイド型のコイルユニットよりも、非接触給電の際の中心軸方向への位置ずれに対するロバスト性が高められている。

以上のように、本実施形態のソレノイドコイルユニット５０、および、ソレノイドコイルユニット５０を備える非接触給電装置５５によれば、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを高い次元で成立させることが可能である。

２．第２実施形態：
図８に第２実施形態にかかるソレノイドコイルユニット５０Ａの概略正面図、概略平面図、および、概略側面図を示す。第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａの構成は、棒状コア２０の２つの端部２２のそれぞれに追加磁極部３０が設けられている点以外は、第１実施形態で説明したソレノイドコイルユニット５０とほぼ同じである。

追加磁極部３０は、棒状コア２０の端部２２から張り出し、中央部２１よりも厚みが小さい板状の部位として構成されている。第２実施形態では、各端部２２の追加磁極部３０は同じ形状を有している。第２実施形態では、追加磁極部３０は、厚み方向に見たときに略四角形状を有しており、端部２２からｘ方向およびｙ方向に沿って張り出している。図８に示すように、第２実施形態では、端部２２は、追加磁極部２２のｘ方向における中央に位置しており、中央部２１から離れるほどその厚みが小さくなるように構成されている。

追加磁極部３０の厚みｃは一定である。ソレノイドコイルユニット５０Ａをより軽量に構成する軽量化の観点からは、追加磁極部３０の厚みｃは、小さいほど好ましい。追加磁極部３０の厚みｃは、中央部２１の厚みｔの１／２以下であることが好ましく、１／３以下であることが、より好ましい。追加磁極部３０の厚みｃは、中央部２１の厚みｔの１／５以下であることが、さらに好ましい。なお、他の実施形態では、追加磁極部３０の厚みｃは一定でなくてもよい。追加磁極部３０は、例えば、幅方向や長さ方向に連続的に厚みが変化する構成を有していてもよい。この場合には、前述の厚みｃは、追加磁極部３０の厚みの最大値であるとしてもよい。

第２実施形態では、追加磁極部３０は、棒状コア２０と同じ磁性体材料によって構成され、棒状コア２０と一体的に作製される。他の実施形態では、追加磁極部３０は、棒状コア２０とは別体として構成され、端部２２に接合により後付けされてもよい。また、追加磁極部３０は、棒状コア２０とは異なる種類の磁性体によって構成されてもよい。

後述するように、ソレノイドコイルユニット５０Ａは、追加磁極部３０を有していることによって、重量の増加を抑制しながら結合係数ｋを高め、且つ、位置ずれに対するロバスト性を高める効果を得ることが可能となっている。

なお、追加磁極部３０の板面の形状は、略四角形状に限定されることはない。他の実施形態では、追加磁極部３０の板面の形状は、例えば、三角形形状や、多角形形状、正円形状、楕円形状であってもよい。また、追加磁極部３０の板面の形状は、一方の端部２２と他方の端部２２とで異なっていてもよい。第２実施形態では、追加磁極部３０は、端部２２から幅方向に張り出しており、追加磁極部３０の幅ｂは、棒状コア２０の端部２２の幅ｗより大きい。これに対して、他の実施形態では、追加磁極部３０は、端部２２から幅方向に張り出すことなく、中心軸方向にのみ張り出していてもよい。また、追加磁極部３０は、端部２２から中心軸方向に張り出していなくてもよく、幅方向にのみ張り出していてもよい。

図９は、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａを用いた非接触給電装置５５Ａを示す模式図である。非接触給電装置５５Ａは、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａと、第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａと、を備える。第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａは、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａと同じ構成を有しており、ソレノイドコイル１０と、追加磁極部３０が設けられた棒状コア２０とを備える。第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａは、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａと自己インダクタンスが同じである。また、追加磁極部３０の寸法も同じである。

非接触給電装置５５Ａでは、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａは、相互誘導による非接触給電を行う他のソレノイドコイルユニットである第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａに対して、離間方向に所定の離間距離Ｇを隔てて並列に設置される。離間方向は、第１実施形態と同様に、ｚ方向に沿った方向である。非接触給電装置５５Ａでは、第１実施形態の非接触給電装置５５と同様に、一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａは、互いに位置ずれすることなく設置されている。この配置では、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａの追加磁極部３０と、第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａの追加磁極部３０とは、互いの板面が離間方向に面し合うように並列に配置される。

図１０に、追加磁極部３０の寸法と結合係数ｋとの関係を表すグラフを示す。図１１に、追加磁極部３０の面積ＰＳと結合係数ｋとの関係を表すグラフを示す。図１０および図１１は、本願発明の発明者の実験により得られたものである。

この実験での結合係数ｋは、図９に示す同じ構成を有する一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａの間において得られた値である。この実験では、追加磁極部３０は、長さａと幅ｂとが等しい略正方形形状の板面を有する構成とした。図１０における追加磁極部３０の寸法は、追加磁極部３０の幅ｂに相当する。図１１における追加磁極部３０の面積ＰＳは、端部２２の側面の面積も含む値であり、追加磁極部３０の長さａと幅ｂとを乗じた値に相当する。つまり、ＰＳ＝ａ×ｂである。

図１０のグラフは、実線部分が示すように、追加磁極部３０が、端部２２から張り出しているほど、結合係数ｋが大きくなることを示している。また、図１１のグラフは、追加磁極部３０の面積が大きいほど、結合係数ｋが大きくなることを示している。

ここで、２つのソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａからなる磁気回路における磁気抵抗Rは下記の数式１で表される。数式１が示すように、追加磁極部３０の面積ＰＳが大きいほど、磁気抵抗Ｒは小さくなり、それだけ磁束が大きくなる。これより、追加磁極部３０の寸法ａ，ｂを大きくし、その面積ＰＳを大きくすれば、結合係数ｋが大きくなることは明らかである。

追加磁極部３０であれば、その寸法を大きくすることにより、棒状コア２０の中央部２１の長さＬや断面積Ｓを大きくする場合よりも、結合係数ｋを高めやすい。また、追加磁極部３０は、板状であるため、厚みｃを調整することにより軽量に構成することが容易である。よって、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａであれば、棒状コア２０の中央部２１の長さＬや断面積Ｓを小さくして軽量化した場合でも、追加磁極部３０を設けることにより、結合係数ｋを高めることが可能になる。つまり、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａであれば、重量の増大を抑制しながら結合係数ｋを高めることが、より一層容易にできる。

図１２に、従来のコイルユニットを用いた非接触給電装置におけるコイルユニット間の離間距離Ｇと結合係数ｋとの関係の一例を示すグラフを示す。一点鎖線で示す第１のグラフＧＰは、図１６（Ａ）に示す従来のサーキュラーコイルユニット１００Ａにおいて得られる離間距離Ｇと結合係数ｋとの関係の一例を示している。二点点鎖線で示す第２のグラフＧＳは、図１６（Ｂ）に示す平板状のフェライトコア１０２Ｂを有する従来のソレノイドコイルユニット１００Ｂにおいて得られる離間距離Ｇと結合係数ｋとの関係の一例を示している。従来のコイルユニット１００Ａ，１００Ｂを用いて非接触給電を行う場合、離間距離Ｇと結合係数ｋとは、一般的に、いわゆるトレードオフの関係にあり、離間距離Ｇを大きくすると、結合係数ｋが低下する関係にある。

ここで、２つのグラフＧＰ，ＧＳの周辺における網点のハッチングが付された領域ＲＡは、従来技術で達成されている給電性能のおおよその範囲を示している。以下、領域ＲＡを「基準領域ＲＡ」とも呼ぶ。図１２において、基準領域ＲＡより右上の領域に結合係数ｋがプロットされる場合には、その非接触給電装置は、従来よりも高い高効率の給電性能を示す構成を有していると言える。逆に、基準領域ＲＡより左下の領域に結合係数ｋがプロットされる場合には、その非接触給電装置は、従来よりも低効率の給電性能を示す構成を有していると言える。

下記の表１を参照する。本願発明の発明者は、第２実施形態の実施例として、図８のソレノイドコイルユニット５０Ａの構成において、Ｌ＝４２０ｍｍ、ｗ=５０ｍｍ、ｔ＝１５ｍｍ、ａ＝１５０ｍｍ、ｂ＝１５０ｍｍ、ｃ＝３ｍｍとした、ソレノイドコイルユニット５０Ａの製造例Ｅを作製した。

本願発明の発明者は、その製造例Ｅを用いて、図９に示す非接触給電装置５５Ａを構成し、離間距離Ｇ＝２００ｍｍとしたときの結合係数ｋを求めた。その結果を、図１２において点ＰＩとしてプロットしてある。この実施例では、結合係数ｋの値は０．１７５であり、従来よりも高効率の高い給電性能を有していることがわかる。

このように、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａの構成であれば、追加磁極部３０を設けることにより、重量の増加を抑制しながら結合係数ｋをさらに高くすることが可能である。第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａによれば、離間距離Ｇが２００ｍｍであるときに限らず、離間距離Ｇを、例えば、１５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲内の任意の値で設定した場合や、１８０ｍｍ以上２２０ｍｍ以下の範囲内の任意の値で設定した場合でも、結合係数ｋを０．１８以上や、０．２以上にすることができる。

次に、上記の製造例Ｅの重量を、従来の平板状コアとＨ型コアを用いたソレノイドコイルユニットと比較した。その結果を下記の表２に示す。比較例のソレノイドコイルユニットは、離間距離Ｇが７０ｍｍ～１００ｍｍと短いときに、製造例Ｅと同等の結合係数ｋを示した。つまり、製造例Ｅは、比較例よりも軽量であり、かつ、比較例よりも高い給電性能を示した。なお、比較例のソレノイドコイルユニットにおいて、離間距離Ｇを２００ｍｍとして同等の結合係数ｋを実現しようとすると、コイルやコアの長さは２倍、面積としては４倍程度が必要になる可能性があり、その分だけ重量が増加することになる。

表２から読み取れるように、従来の平板状コアやＨ型コアを用いたソレノイドコイルユニットに比べ、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａによれば、給電性能を高めながら、大幅に軽量化することが可能であり、これにより電動モビリティ等への搭載を現実的なものとすることができる。

図１３および図１４を参照して、ソレノイドコイルユニット５０Ａのロバスト性について説明する。図１３は、非接触給電装置５５Ａを構成する一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａがｘ方向に距離Ｄｘだけ位置ずれした配置状態を模式的に示している。図１４は、一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａがｙ方向に距離Ｄｙだけ位置ずれした配置状態を模式的に示している。

第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａを用いた非接触給電装置５５Ａであれば、位置ずれが生じた場合であっても、追加磁極部３０を有している分だけ、位置ずれによる結合係数ｋの低下が抑制される。よって、一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａの間の位置ずれに対する高いロバスト性を得ることができる。

なお、ソレノイドコイルユニット５０Ａでは、追加磁極部３０の幅ｂは、中央部２１の幅ｗよりも大きいことが好ましい。これによって、追加磁極部３０が幅方向に張り出している分だけ、幅方向の位置ずれに対するロバスト性を高めることができる。また、ソレノイドコイルユニット５０Ａでは、追加磁極部３０は、長さａと幅ｂとが等しいことが望ましい。これによって、中心軸方向と幅方向の両方の位置ずれに対するロバスト性を高めることができる。

以下に、本願発明の発明者が行った、非接触給電装置５５Ａの位置ずれに対するロバスト性についての実験結果を説明する。この実験では、上述した製造例Ｅを用いて、離間距離Ｇを２００ｍｍとした非接触給電装置５５Ａを構成し、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに、１５０ｍｍずらして非接触給電を行った。

ここで、一般に、インダクタンスＬは数式２によって表現される。図１３や図１４のように位置ずれが生じた場合は、磁極同士が離間方向に重なる面積Ｓの減少と磁路長ｌの増加により、インダクタンスＬは減少することになる。この実験例では電気回路に用いたコンデンサの静電容量Ｃは一定であることから、数式３に基づいてインダクタンスＬが減少した分、共振周波数ｆを増加させることで共振が維持されることになる。

表３に実験の結果を示す。幅方向へ１５０ｍｍの位置ずれが生じた場合は、９２．５％の効率が８５．０％にまで低下するが、上述の通り供給周波数を調整することによって９１．６％まで効率を上げることが可能であることがわかった。また、中心軸方向へ１５０ｍｍの位置ずれが生じた場合は、９２．２％の効率が８１．９％まで低下するが、同様に供給周波数を調整することで９１．０％まで効率を上げることが可能であることがわかった。

図１５に、幅方向であるｘ方向と中心軸方向であるｙ方向のそれぞれに位置ずれさせた場合の結合係数ｋの変化を示すグラフを図示してある。図１５の横軸は位置ずれ量［ｍｍ］を示し、縦軸は位置ずれがない状態で１．０となるように正規化した結合係数ｋ／ｋ_０を示している。

グラフＧｘ，Ｇｙは、上記の製造例Ｅを用いた非接触給電装置５５Ａにおいて得られたものである。グラフＧｘは、ｘ方向に位置ずれさせたときのものであり、グラフＧｙは、ｙ方向に位置ずれさせたときのものである。

比較例のグラフＣ１～Ｃ３は非特許文献１に開示されている結合係数を基にグラフ化したものである。比較例のグラフＣ１はＨ型コアを用いた構成においてｘ方向の位置ずれを生じさせたときのものである。比較例のグラフＣ２はＨ型コアを用いた構成においてｙ方向の位置ずれを生じさせたときのものである。比較例のグラフＣ３は、サーキュラー型のコイルユニットを用いた構成において位置ずれを生じさせたときのものである。なお、サーキュラー型の位置ずれについては、ｘ方向、および、ｙ方向の方向依存性は無い。

図１５によると、ソレノイドコイルユニット５０Ａの製造例Ｅを用いた場合、位置ずれ量が３００ｍｍに達した場合であっても、ｘ方向の位置ずれに対しては４５％以上、ｙ方向の位置ずれに対しては２０％以上、結合係数ｋが維持された状態で電力の授受が可能であることを示している。一方、比較例のグラフＣ１～Ｃ３ではいずれも、結合係数ｋは、位置ずれ量が大きくなるにつれ、急激に低下していることが読み取れる。比較例のグラフＣ１では、位置ずれ量３００ｍｍでは結合係数ｋはほぼゼロとなり、比較例のグラフＣ２およびＣ３では、位置ずれ量が１００ｍｍに達した段階で既に、結合係数ｋがゼロより小さくなり、電力の授受ができないデッドスポットが存在している。

このように電力の伝送効率におよぼす位置ずれの影響を評価した結果、ｘ方向、ｙ方向共に高いロバスト性を有していることが確認された。これにより非接触給電技術のアプリケーションはより広がることとなり、電動モビリティへの走行中給電もより現実的なものとなる。

以上のように、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａおよびそれを用いた非接触給電装置５５Ａによれば、追加磁極部３０が設けられていることにより、より一層、高い次元で、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを成立させることができる。

３．まとめ：
表４に示すように、従来のサーキュラー型のコイルユニットや、平板状コアを有するソレノイド型のコイルユニット、Ｈ型コアを有するソレノイド型のコイルユニットでは、結合係数、ロバスト性、軽量化のいずれの基準をも満たす状態ではない。これに対して、第１実施形態や第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０，５０Ａによれば、上述したように、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを高い次元で成立させることができる。また、従来のサーキュラー型のコイルユニットや、平板状コアを有するソレノイド型のコイルユニットでは、位置ずれが大きくなったときにデッドスポットが生じてしまう。Ｈ型コアを有するソレノイド型のコイルユニットでは、位置ずれの方向によってはデッドスポットが生じてしまう場合がある。これに対して、第１実施形態や第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０，５０Ａによれば、そうした従来のソレノイドコイルユニットよりも、位置ずれによるデッドスポットの発生を抑制することができる。

以上、本願発明の好ましい実施形態および実施例について説明したが、本願発明はかかる実施形態や実施例に限定されるものではない。本願で開示した構成は、本願発明の技術的思想の範囲において、様々な変更や修正を加えることができる。例えば、上記の第１実施形態や第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０，５０Aを、構成の異なる他のコイルユニットとの間の非接触給電に用いてもよい。

１０ ソレノイドコイル
２０ 棒状コア
２１ 中央部
２２ 端部
３０ 追加磁極部
５０，５０ａ，５０Ａ，５０Ａａ ソレノイドコイルユニット
５５，５５Ａ 非接触給電装置
１００Ａ，１００Ｂ コイルユニット
１０１Ａ サーキュラー型コイル
１０１Ｂ ソレノイド型コイル
１０２Ａ 円盤状のフェライトコア
１０２Ｂ 平板状のフェライトコア
ＣＸ 中心軸
ＭＦ 磁束

Claims (8)

1. 他のソレノイドコイルユニットと非接触で電力の授受を行うソレノイドコイルユニットであって、
   前記他のソレノイドコイルユニットが備える他のソレノイドコイルに対して、中心軸方向に直交する離間方向に所定の離間距離を隔てて並列に設置されるソレノイドコイルと、
   前記ソレノイドコイルが巻回され、前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さより長い棒状コアと、
   を備え、
   前記棒状コアは、前記ソレノイドコイルが巻回された中央部と、前記ソレノイドコイルの両端から延び出ている端部と、を有し、
   前記中央部の幅に対する長さの比率は２以上であり、
   前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さは、前記離間距離の略２倍であることを特徴とする、ソレノイドコイルユニット。
2. 前記中央部の幅に対する長さの比率は８以上である、請求項１に記載のソレノイドコイルユニット。
3. 前記中央部の長さをＬとし、前記中央部の幅をｗとするとき、２≦Ｌ／ｗ≦１６の関係を満たす、請求項１に記載のソレノイドコイルユニット。
4. 前記ソレノイドコイルと同じ構成の前記他のソレノイドコイルと、前記棒状コアと同じ構成の他の棒状コアと、を備える他のソレノイドコイルユニットを、前記ソレノイドコイルユニットに対して２００ｍｍの前記離間距離を隔てて位置ずれなく設置したときの結合係数ｋが、０．１７以上０．２未満である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のソレノイドコイルユニット。
5. 前記端部には、前記中央部よりも厚みが小さく、当該端部から張り出している板状の追加磁極部が設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のソレノイドコイルユニット。
6. 前記追加磁極部の幅は、前記中央部の幅より大きい、請求項５に記載のソレノイドコイルユニット。
7. 前記追加磁極部の長さと幅は等しい、請求項５又は６に記載のソレノイドコイルユニット。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のソレノイドコイルユニットである第１のソレノイドコイルユニットと、
   前記他のソレノイドコイルユニットである第２のソレノイドコイルユニットと、
   を備え、
   前記第１と第２のソレノイドコイルユニットの間において相互誘導を生じさせて電力を授受する、非接触給電装置。
   
   
   

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