JP2986369B2 - 高周波数高電力変成器の空気／液体冷却式金属巻線 - Google Patents

高周波数高電力変成器の空気／液体冷却式金属巻線

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、バッテリの充電器、特
に、高電力の誘導型バッテリ充電装置の変成器の２次巻
線において使用される空気または液体のような冷却流体
によって冷却される金属巻線部分を具備している誘導型
充電ポートに関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明出願人は、電気自動車等の電気バ
ッテリの充電に使用される誘導型充電システムを設計
し、開発し、製造している。充電システムは、電気自動
車に取付けられた変成器の２次回路を形成する２次巻線
およびコアを具備している充電ポートと、変成器の１次
回路を形成する１次巻線およびコアを具備し、自動車の
バッテリを充電するために電源に結合され、充電ポート
に挿入されるように構成されている充電カプラまたはプ
ローブとを使用する。バッテリの充電は、高い周波数で
高い充電速度で行われている。その結果、充電プローブ
に多量の熱が生成される。プローブは、充電が完了され
ると使用者によって充電ポートから取外されなければな
らないから、充電プローブの温度が高いと火傷の危険が
ある。
【０００３】しかしながら、冷却効率の良い金属の熱交
換器を巻線に隣接して設けると高周波磁界と作用して損
失を生じるので、熱交換器の使用には工夫が必要であ
る。
【０００４】現在、４つの異なる方法が誘導型充電カプ
ラおよび充電ポートの所定の温度以下に抑制するように
熱を放散させるために使用されている。第１の方法は、
自動車の充電ポートに設けられている熱交換器に１次巻
線およびコアからの熱を空隙を横切って伝達し、その熱
交換器を充電ポートに設けられたファンによって循環さ
れる冷却空気で冷却する方法である。この方法は、約６
乃至１０ｋｗの充電速度で動作するシステム用として設
計されている。第２の方法は、充電カプラを通って自動
車外部の（充電ステーションに設けられている）冷却装
置から冷却された空気を導いて１次巻線およびコアを冷
却する方法である。この方法は、約２０乃至２５ｋｗの
充電速度で動作するシステムに使用されている。第３の
方法は、充電システムによって生成された磁界と相互作
用しないプラスチック熱交換器を使用する方法である。
しかしながら、この方法は不十分な熱伝導特性を有す
る。第４の方法は、巻線における位置に依存して磁界と
相互作用し、ある程度の近接損失を生じる金属熱交換器
を使用する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、電力密度が
非常に高く、高電力かつ高周波数で使用する変成器の巻
線の冷却のための構造に関する。従来から高電力の変成
器では変成器の内部の銅の巻線の冷却が重要な問題であ
った。通常の設計の変成器で使用されている巻線のワイ
ヤの構造では熱を適切に取除く適切な表面区域を有して
いないのために冷却効率が悪い欠点がある。また、金属
製の熱交換器は、交流磁界と作用して損失を生じるため
に巻線の間に挿入されることができない。
【０００６】比較的低い周波数（６０乃至４００Ｈｚ）
では巻線を中空の管状体として構成し、その巻線を通し
て冷却液（オイル、水等）をポンプで送ることによって
容易に冷却することができる。しかしながら、これは冷
却液を流すので強度を高めるために管壁の厚さを厚くす
る必要があるために大きい渦電流が流れて損失が大きく
なり、高い周波数（１０ｋＨｚ以上）では実用が困難で
ある。別の手段として充電ポート内の巻線の周囲の空間
に熱交換器を配置したものが知られている。しかしなが
ら、この方法は巻線から熱交換器への熱の伝達効率が悪
く満足すべき冷却効果が得られない。また、金属熱交換
器を１次巻線と２次巻線との間に交互に重ねて位置させ
る方法も考えられるが、磁界との交差によって生じる渦
電流による損失のために有効ではなく、そのような損失
を避けるためには熱伝導特性の劣っている非金属材料で
作られなければならなかった。
【０００７】本発明の目的は、装置の充電ポートにおけ
る変成器の２次巻線の空気または液体のような冷却流体
によって冷却される金属巻線部分を使用し、磁界との作
用による損失が少ない改良された高電力の誘導型バッテ
リ充電装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、２つの目的に
役立つ熱交換器、すなわち、熱交換器として機能すると
共に変成器の巻線の一部分としても機能する熱交換器を
使用することを特徴とする。本発明において、巻線の中
心軸方向に重ねられた螺旋状に巻かれた巻線層からなる
変成器巻線の一番外側の層の巻線部分が熱交換器として
使用される。この一番外側の層の巻線部分は任意の形状
および厚さを有しており、空気または液体の冷却流体で
冷却され、または、ヒートパイプ（蒸気式熱交換器）で
あってもよい。２次巻線の一番外側の層以外の巻線部分
は、このような構造にすると磁界との作用による損失の
ためにエネルギ損失が増加するので、このような方法を
採用することは適切ではない。
【０００９】すなわち、本発明は、バッテリに結合され
ている充電ポートと、この充電ポートに挿入可能な充電
カプラとを具備し、充電カプラがハウジングと、ハウジ
ング内に収容された１次磁気コアおよび１次巻線を具備
しているバッテリ充電用の誘導型充電装置において、充
電ポートが、ハウジングと、ハウジングに設けられ、充
電カプラが挿入される開口部と、ハウジング中に配置さ
れ、前記充電カプラが挿入される間隔を隔てて配置され
ている第１および第２の２次磁気コアと、第１および第
２の２次磁気コアの周囲に巻かれた第１および第２の２
次巻線とを具備し、それら第１および第２の２次巻線
の、巻線の中心軸の軸方向で１次巻線と反対側の端部の
一番外側に位置する巻線層を構成している巻線部分は熱
交換器として構成されていることを特徴とする。
【００１０】本発明の１実施形態において、液体冷却巻
線部分を使用し、ポンプ、小型の熱交換器、およびファ
ンを含む冷却システムによって熱交換器として構成され
た一番外側の巻線部分に液体冷却剤を流す。変成器の２
次巻線からの熱の放散は、この巻線部分を構成している
熱交換器の内部に設けられた冷却流体の流路を流れる冷
却流体によって効果的に行うことができる。内部通路は
幾つかの方法で形成される。１実施形態では、銅等の金
属から薄く平坦で内蔵式のフレキシブルな冷却剤ブラダ
（bladder ）が作られる。冷却流体はポリアルファオレ
フィンまたはフロウレート等の高誘電率の材料で構成さ
れている。高誘電率の材料は高い抵抗を示すので、冷却
剤中において磁界によって電流が誘導されることはな
く、また、不所望な導電接触を生じることもない。空冷
巻線部分を使用するとき、本発明は、フィンを有する熱
交換器を通ってファンから空気を送る。フィンを有する
熱交換器の巻線部分は隣接する巻線部分に直接的に接着
され、良好な熱的接触および大きい熱伝導面積を提供す
る。
【００１１】本発明によって、液体もしくは空気冷却式
熱交換器と、１０ｋＨｚ以上で動作する変成器の磁気巻
線との二重の機能を行う変成器の巻線が提供される。本
発明は、電気自動車において使用されるバッテリ充電装
置の誘導型充電ポートに特に有効であり、充電ポートに
おける２次巻線の冷却に有効である。本発明を使用する
ことによって電気自動車を迅速に高い効率で充電するこ
とができる。しかしながら、本発明の着想はいずれの変
成器にも適用されることができる。
【００１２】
【実施例】本発明の様々な特徴および利点は、添付され
た図面に関連した前述の詳細な説明に関して容易に理解
され、図面において、同じ参照番号は同じ構造上の素子
を示している。
【００１３】図面に関して、図１は、本発明の原理に従
って、充電ポート11に挿入された充電プローブ20を使用
する誘導型バッテリ充電装置10の部分的に切開かれた側
断面図を示している。充電ポート11は、例えば電気自動
車17等に配置される。
【００１４】誘導型充電カプラ20は、ハンドル23を形成
するような形状の１組の結合されている２つの半分の部
分22a,22b を有するプラスティックのカプラハウジング
22で構成されている。誘導型充電カプラ20は、例えばフ
ェライトで構成された中央の磁気コア24を具備してい
る。１次巻線25は、中央の磁気コア24の周りに巻かれて
いる。誘導型充電カプラ20の結合される２つの半分の部
分22a,22b は、１次巻線25および中央の磁気コア24を囲
んで収容している。１次巻線25は、例えば４回巻かれた
巻線で構成されており、それは、エネルギを充電カプラ
20に結合するために電力ケーブル26によって外部の電源
27へ結合されている。
【００１５】ハウジング22は、実質的に平坦な対向する
表面を有する中空のディスク形の部分およびそのディス
ク部分から延在する先細のハンドルを有している。開口
部29は中空のディスク形の部分の平坦な対向する各表面
を貫通して設けられている。中央の磁気コア24は開口部
29内に配置され、ハウジング22の実質的に平坦な対向表
面と実質的に同一平面である平坦な対向する表面を有し
ている。
【００１６】充電ポート11は、誘導型充電カプラ20が挿
入される開口部13を有するハウジング12を含む。充電ポ
ート11は、変成器の軸方向で２分され、互いに間隔を隔
てて配置されている２つの２次コアの半分の部分14、お
よびそれらのコアの半分の部分14をそれぞれ囲んでその
周囲に巻かれている２つの２次巻線15を備えている。各
２次巻線15は電気自動車17に収容されているバッテリ16
に結合されている。充電カプラ20は、外部電源27からバ
ッテリ15へ電流を結合させるために充電ポート11の開口
部13に挿入されるように設計されている。
【００１７】本発明の１実施形態においては、冷却剤を
流通させる熱交換器30は、渦巻き状の巻線部分が軸方向
に積層されて構成されている２次巻線の軸方向で１次巻
線と反対側の一番外側の巻線層の巻線部分として設けら
れる。熱交換器30は、例えば導電性の接着剤31またはエ
ポキシ等を使用して、各２次巻線15の軸方向内側に隣接
して位置する巻線部分15a の一番外側の巻線部分15a に
接着される。２次巻線15および冷却剤伝導性熱交換器30
の詳細は、以下に図２乃至４を参照にして説明する。
【００１８】熱交換器30は、自動車17中に配置され、冷
却剤ポンプ32、冷却剤熱交換器33および冷却ファン34を
具備している冷却システム31に結合されている。これら
の素子の結合体は、フィンを有する熱交換器30上に空気
を送るようにファン34を使用するなどして冷却の必要が
あるときに使用される。液体冷却剤は入口および出口冷
却剤ライン36を使用して自動車17に内蔵された冷却シス
テム31から熱交換器30へ循環される。熱交換器30は、例
えば水冷される。冷却剤は、例えばポリアルファオレフ
ィンまたはフロウレート等の高誘電率材料で構成されて
いる。高誘電率材料は抵抗が高いので、冷却剤中に磁界
から電流が誘導されたり、不所望な導電接触が生じたり
することがない。
【００１９】本発明の別の実施例において、フィンを有
する熱交換器30が使用される。各２次巻線部分15a は、
良好な熱的接触および大きい熱伝導面積を供給するため
に、フィンを有する熱交換器30に直接接着される。ファ
ン34は、フィンを有する熱交換器30にそれぞれ空気を送
るために使用される。
【００２０】本発明のさらに別の実施例において、ヒー
トパイプが熱交換器30として使用される。２次巻線部分
15a は、良好な熱的接触を行うためにそれぞれヒートパ
イプに直接接着されている。
【００２１】本発明は、２次巻線15の軸方向に重ねられ
た巻線層の一番外側に位置する巻線層を構成する２次巻
線部分に適用される。誘導型充電ポート11の場合、１次
巻線25およびコア24は、２つに分割された２次巻線15お
よび２次コア14の間に挿入されてコア24と14が重なるよ
うに配置される。図２に示されているｍｍｆ（起磁力）
ダイアグラムを見ると、２次巻線15の軸方向で一番外側
に位置する層の巻線部分は表皮効果による高周波損失成
分のみを有していることがわかる。一番外側の巻線層の
巻線部分において磁界がほとんどないために渦電流は発
生せず渦電流損失は生じない。渦電流損失が増加しない
ように巻線の厚さが制限されるので、全体の損失を最小
にするために、通常巻線導体の最適な厚さは制限され
る。しかしながら、本発明の一番外側の巻線層の巻線部
分のように磁界がないために渦電流損失損失がないなら
ば、損失は表皮効果による損失だけであり、一番外側の
層の巻線部分（熱交換器30）の厚さを厚くしてもそれに
よる電力損失はないので厚さを強度上最適の大きさにす
ることができる。
【００２２】以上、カプラ20の構造について一般的な説
明がなされたが、本発明による改良に関して以下説明す
る。本発明の原理は、１次巻線25が１組の２次巻線15と
交互に重ねられたときに適用される。金属材料の熱交換
器は、２次巻線15の一番外側の層の巻線部分として設け
られ、磁界が存在しない場合には誘導による損失は最小
である。図２に示されたｍｍｆダイアグラムを見ると、
図示の巻線の配置において、一番外側の層においてはゼ
ロ磁界に近いことがわかる。本発明の金属の熱交換器30
は、このようなゼロ磁界の点において挿入されているの
で渦電流の発生による電力の損失は最小である。例え
ば、４回巻かれた巻線部分を有する１次巻線25が４回巻
かれた巻線部分を有する２次巻線15の間で（例えば２回
巻かれた２次巻線部分−４回巻かれた１次巻線−２回巻
かれた２次巻線部分のように）交互に重ねられた場合、
そこにおいて２回巻かれた２つの２次巻線15は直列に接
続され、その際には４回巻かれた２次巻線15の外側の巻
線部分においてほとんど磁場がないことがｍｍｆダイア
グラムによって明確に示され、従って、２次巻線15の一
番外側の巻線部分を構成している熱交換器30はこのよう
なほとんど磁界のない位置に位置される。見てわかるよ
うに、２次巻線の巻数は偶数になる。２次巻線15の各巻
線層として平坦な螺旋巻線部分（１回巻かれた巻線）ま
たは平坦な渦巻き形の巻線部分（複数回巻かれた巻線）
を使用することによって本発明はさらに有効になる。こ
れによって、熱の伝達に役立つ最大の表面面積が提供さ
れる。２次巻線15の外側から２番目の巻線層の巻線部分
は、熱伝導性接着剤31を使用して一番外側の巻線部分を
構成している熱交換器30に良熱伝導状態で接着される。
【００２３】この技術は、いずれの変成器の設計にも使
用することができるが、特に、電気自動車17のための誘
導結合された変成器の充電ポート11の設計に適用するこ
とができる。電気自動車17において使用される誘導結合
された変成器（そこにおいて変成器の１次巻線25および
コア24は、２次巻線15とコア14との間に物理的に挿入さ
れるように設計されている）の熱に関する制限は、熱的
接触が制限されているため、厳しいものである。
【００２４】本発明をより理解するために、以下に理論
的な説明が与えられる。変成器の設計において、磁気コ
アの寸法を減少するために高い周波数で動作させること
が望ましい。これは以下の基本的な磁気方程式に基づい
ている。
【００２５】Ｅ＝Ｎ＊ｄφ／ｄｔ，ここでｄφ＝ＮｄＢ
である。
【００２６】この式は以下のように書換えられる。
【００２７】Ａｃ＝Ｅ／（４ｆＮＢ・１０8 ） ここで、Ａｃはコアの断面積であり、ｆは動作周波数で
あり、Ｎは１次巻線の巻数であり、Ｂはガウスで表した
磁束密度である。
【００２８】従って、磁気コアは、高い周波数を使用し
てコアを励起させる場合には小さくてもよい。しかしな
がら、これは渦電流を結果的に増加させるので妥協が必
要である。渦電流損失は、周波数の関数（表皮効果）と
しての導体中の交流電流の再分布と、交流電流を伝送す
る１つの回路が回路に近接する導電材料中にオーム接触
せずに循環電流を誘起することができる現象（渦電流効
果）の総称である。従って、銅損失のために周波数を高
くして変成器のコアの寸法を小さくすることには基本的
な制限がある。
【００２９】表皮効果の損失は、巻線導体のみによって
伝送される高周波数電流による実効抵抗が増加すること
によるものである。これは、周波数が上昇し、電流密度
が導体の表面部分において増加し、巻線導体の中心部分
においてゼロへ減少するために生じる。電流は、導体内
で指数関数的に次第に小さくなってゆく。実効的に電流
を伝送する導体の断面の割合が減少されるので高周波に
おける抵抗（結果的な損失）は、低周波における抵抗よ
りも遥かに大きくなる。電流が流れる表皮の深さ（ｓ
ｄ）は、表面から電流密度が表面の電流密度の１／ｅ倍
（ｅは自然対数ベース）である深さの点までの距離とし
て定義される。
【００３０】ｓｄ＝［ρ／（π＊μ＊ｆ）］1/2 ここで、ρは銅の比抵抗であり、２０℃でρ＝０．６９
×１０-6オームであり、μ＝０．４π×１０-8で与えら
れる。
【００３１】任意の電流波形の高周波巻線損失を計算す
るための最も簡単な方程式は、次のように表される。
【００３２】 Ｒａｃ／Ｒｄｃ（表皮効果）＝ｘ＊［ｅ2x−ｅ-2x ＋２ｓｉｎ（２ｘ）］／ ［ｅ2x＋ｅ（−２ｘ）−２ｃｏｓ（２ｘ）］ ここで、ｘは層の厚さ、すなわち、電流が流れる表皮の
深さである。
【００３３】電流密度は表面から指数関数的に低下する
が、高周波抵抗は電流密度が表面から侵入深さまで一定
で、その後突然ゼロになる場合と同一である。これは、
箔の全体の厚さは関係なく、最小の抵抗（特定の周波数
でのＡＣ抵抗）は、表皮の深さにおけるＤＣ抵抗に制限
されることを意味している。従って、１つの層の螺旋の
巻線部分に対して、層の厚さは表皮の深さを越える増加
した損失がない所望の厚さである。
【００３４】多層コイルにとって、近接効果、すなわち
渦電流効果はしばしば動作に重要な影響を与える。巻線
における別の導体からある導体に与えられた磁界によっ
て生じる導体中の渦電流によって導体の抵抗により損失
が生じる。これらの渦電流は巻線が開回路である場合に
も存在することに注意しなければならない。渦電流によ
る損失は回路を流れる電流がない場合でも存在する。こ
れは、静電遮蔽、あるいは液体冷却式の熱交換器が１次
巻線と２次巻線との間に挿入されている状況と同じこと
である。上述の方程式の最も簡単な形式は次のように表
される。
【００３５】 Ｒａｃ／Ｒｄｃ（近接効果）＝ （２／３）＊（ｍ2 −１）＊ｘ＊［ｅx −ｅ-x＋２ｓｉｎ（ｘ）］／ ［ｅx ＋ｅ（−ｘ）−２ｃｏｓ（ｘ）］、 ここで、ｘは層の厚さ、すなわち表皮の深さであり、ｍ
は層の数である。この方程式は、より多くの巻線層（巻
線部分）が変成器巻線に使用されたときに近接効果によ
る損失の急激な増加と層の厚さが表皮の深さと等しい値
またはそれ以下に維持されなければならないことを示し
ている。
【００３６】構造をさらに詳しく説明すると、図３には
図１の充電ポート11の一部分の側面図が示されており、
ここにおいて、特に、熱交換器30は２次巻線15の隣接す
る内側巻線部分15a に接着されている。図３からわかる
ように、熱交換器30は、接着剤31によって２次巻線15の
セットそれぞれの内側巻線部分15a に良熱伝導的に接着
されている。
【００３７】熱交換器30に設けられる内部冷却剤の流路
は、幾つかの方法で形成される。１つの形式では銅等の
金属で、薄く平坦でフレキシブルなブラダ30として形成
される。２次巻線15のセットの内側巻線部分15a は、平
坦な冷却剤式熱交換器30に直接接着され、それによっ
て、良好な熱的接触、大きい熱伝導面積、および非常に
薄い外形を提供する。冷却剤の入口通路および出口通路
36は、巻線25の下の非常に薄い（公称０．０５０”）長
方形の断面の形から丸い断面の管の形（直径０．２５イ
ンチ）に変化している。
【００３８】本発明の上述の実施例の巻線の構造は、巻
線部分が冷却剤を流通する熱交換器30を構成しているた
め、１つの層に１巻きの巻線部分を有する螺旋状の構造
である。しかしながら、１つの巻線層における巻数は、
必要なだけ多くすることができ、単一の螺旋状の巻線部
分である必要はない。渦巻き状の複数の巻数の巻線部分
よりなる層を設けることもできる。いずれにしても、本
発明の変成器の２次巻線の一番外側の層の巻線部分の渦
電流による損失は極めて僅かである。
【００３９】図４の例を用いて説明すると、これは図１
の充電ポートにおいて使用されることのできる巻線の分
解図を示しており、図５は、同様の別の巻線の分解図を
示している。図４において、２つの巻線はそれぞれ巻数
が３の巻線部分を具備し、図５においては、巻線はそれ
ぞれ巻数が４の巻線部分を具備している。空気／液体冷
却式巻線部分は、各設計の最外部の巻線部分である。
【００４０】本発明は、種々の変成器の設計にも適用さ
れることができるが、特に、電気自動車17のための誘導
型結合された変成器の充電ポート11の設計に適用するこ
とができる。本発明によって、電気自動車17の充電ポー
ト11と共に使用され、従前の変成器装置よりも損失が少
なく、小さい寸法の変成器装置を提供することができ
る。
【００４１】以上、高電力の誘電型バッテリ充電装置の
変成器の２次巻線において空気および液体冷却流体によ
って冷却される金属巻線部分を具備している新しく改良
された誘電型充電ポートについて説明してきた。上述の
実施例は単に、本発明の原理の適用を示す多数の特定の
実施例の１つであることが理解されるべきである。明ら
かに、多数の別の構成が本発明の技術的範囲から逸脱す
ることなしに当業者によって容易に発明されることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に従った充電ポートを使用するバ
ッテリ充電装置の部分的に切開かれた側断面図。
【図２】充電ポートの巻線部分に関連する電流対周波数
を示すｍｍｆダイアグラム。
【図３】図１の充電ポートの部分的側断面図。
【図４】図１の充電ポートで使用される巻線の分解図。
【図５】図１の充電ポートで使用される別の巻線の分解
図。
フロントページの続き (72)発明者 ハーバート・ジェイ・タンザー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 95630、フォルソム、ハードロック・コ ート 116 (72)発明者 ルディー・セバーンス アメリカ合衆国、オレゴン州 97424、 コテージ・グローブ、フォックス・レー ン 32857 (56)参考文献 特開 平７−14631（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−260671（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01F 38/14 H01R 13/64

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 バッテリに結合されている充電ポート
    と、この充電ポートに挿入可能な充電カプラとを具備
    し、充電カプラがハウジングと、ハウジング内に収容さ
    れた１次磁気コアおよび１次巻線を具備しているバッテ
    リ充電用の誘導型充電装置において、 前記充電ポートが、 ハウジングと、 ハウジングに設けられ、充電カプラが挿入される開口部
    と、 ハウジング中に配置され、前記充電カプラが挿入される
    間隔を隔てて配置されている第１および第２の２次磁気
    コアと、前記第１および第２の２次磁気コアの周囲に巻かれた第
    １および第２の２次巻線とを具備し、それら第１および
    第２の２次巻線の、巻線の中心軸の軸方向で１次巻線と
    反対側の端部の一番外側に位置する巻線層を構成してい
    る巻線部分は 熱交換器として構成されていることを特徴
    とする誘導型充電装置。
  2. 【請求項２】 熱交換器は冷却剤が流通して冷却が行わ
    れる熱交換器として構成されている請求項１記載の充電
    ポート。
  3. 【請求項３】 熱交換器は空冷式の熱交換器として構成
    されている請求項１記載の充電ポート。
  4. 【請求項４】 熱交換器はヒートパイプとして構成され
    ている請求項１記載の充電ポート。
  5. 【請求項５】 熱交換器は熱伝導性接着剤によって２次
    巻線の隣接する巻線層の巻線部分に良熱伝導状態で接着
    されている請求項１記載の充電ポート。
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