JP3432317B2 - コードレスパワーステーション - Google Patents
コードレスパワーステーションInfo
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Description
誘導作用により非接触で電力を伝送するコードレスパワ
ーステーションに関する。
に生じる電磁誘導作用を利用して非接触に電力を伝送す
る方式は、コードレスパワーステーションと呼ばれてい
る。このコードレスパワーステーションは、1993年
度刊行の日本応用磁気学会誌(17,485−488)
に開示されており、その利用例としては、非接触な電力
伝送を行い得ることから、例えば、1991年度刊行の
電気学会論文誌(A,111−A,807)に開示されて
いるように、人工心臓の駆動装置への有効な電力供給手
段としての研究が挙げられる。
は、一対のコイルを組み合わせたトランスが使用され、
そのトランスには薄型化が要求されている。人工心臓の
駆動装置のエネルギー伝送用のコードレスパワーステー
ションのトランスの磁性材料として、アモルファス磁性
材を用いたトランスでは、その厚さが3mm程度になっ
ているが、それ以前のフェライトを用いたポットコアタ
イプのものでは、トランスの厚さが15mm程度になっ
ている。
は、人工心臓の駆動装置への電力供給手段以外にも、例
えば、非接触ICカード、携帯用家電製品、マイクロコ
ンピュータ等への電力供給や充電にも応用可能である。
こうした各分野での応用は、安全で、融通性の高いシス
テムが構築できるため、工業上、有益であり、非常に重
要視されている。
たコードレスパワーステーションの場合、アモルファス
磁性線材で補強した空芯コイルが使用されているが、非
接触で電力伝送でき、薄型化を実現しているが、更に、
薄型化が要求され、伝送電力容量を大きくし、変換効率
を高める要求がある。
の場合、伝送電力や変換効率に優れているが、その反
面、コイル部の厚さを充分に薄型化できないという難点
がある。
磁性部材の磁性材料としては、高周波伝送に対応する必
要性から、軟磁性フェライト材料が一般には使用され
る。しかしながら、フェライト材料は、機械的強度が低
く、変形応力に対し割れ易い。又、硬いために加工が容
易でない等の欠点を有している。本発明は、かかる要求
と問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題
は、伝送電力の増大と変換効率の向上とを充分に図り得
ると同時に、使用されるトランス部の厚さを充分に薄型
化できる構造のコイルと、コイルの外側部に用いられる
軟磁性部材として、割れにくく、加工しやすい材料を使
用した薄型のコードレスパワーステーションを提供する
ことにある。
介して対向するコイルを含み、該対向するコイル間に生
じる電磁誘導作用を利用して非接触に電力を伝送するコ
ードレスパワーステーションにおいて、軟磁性体粉末と
有機結合剤とを含む軟磁性体層を設けた軟磁性部材を前
記対向するコイルの外側部に装着することにより、取り
扱いが容易で、加工が容易な軟磁性部材を取り付けた伝
送効率が著しく向上したコードレスパワーステーション
が得られる。
ーステーションにおいて、前記対向するコイルは平面渦
巻型コイル又は平面ミアンダ型コイルよりなり、それぞ
れ入力側部分と出力側部分に分けられ、該平面渦巻型コ
イル又は平面ミアンダ型コイルの出力側部分の外側部に
前記軟磁性部材を装着したコードレスパワーステーショ
ンが得られる。
記載のコードレスパワーステーションにおいて、前記対
向するコイルは平面渦巻型コイルとミアンダ型コイル又
は、それぞれ同志からなり、コイルのそれぞれは入力側
部分と出力側部分とに分けられ、このコイルの入力側部
分及び出力側部分のそれぞれの外側部に前記軟磁性部材
を装着することを特徴とするコードレスパワーステーシ
ョンが得られる。
載のコードレスパワーステーションにおいて、前記軟磁
性部材は、可とう性を有する支持体の少なくとも一方面
に軟磁性体粉末と有機結合剤とを含む軟磁性体層を形成
することを特徴とするコードレスパワーステーションが
得られる。
載のコードレスパワーステーションにおいて、前記軟磁
性部材に用いる軟磁性体粉末が、偏平状及び/又は針状
及び/又は粒状の粉末であることを特徴とするコードレ
スパワーステーションが得られる。
に記載のコードレスパワーステーションにおいて、前記
軟磁性部材を構成する軟磁性体粉末の平均粒径を150
μm以下(0を含まず)とすることを特徴とするコード
レスパワーステーションが得られる。
載のコードレスパワーステーションにおいて、前記軟磁
性部材を構成する軟磁性体層の厚さが0.1〜5.0mm
の範囲内であることを特徴とするコードレスパワーステ
ーションが得られる。
着する軟磁性部材を構成する軟磁性体層の構造や、これ
に用いられる軟磁性材料の種類、コイルの入出力側部分
の構成等を選択することにより、コードレスパワーステ
ーションにおいて、伝送電力の増大と変換効率の向上と
を実現できることを見い出したものである。そのための
構成としては、例えば、対向したコイルを構成する平面
渦巻型コイル又は平面ミアンダ型コイルの出力側部分の
外側部に、可とう性支持体面上に軟磁性体粉末と有機結
合剤とを含む軟磁性体層を設けた軟磁性部材を装着する
こと、対向したコイルの入力側部分及び出力側部分のそ
れぞれの外側部に前記軟磁性部材を装着すること、前記
軟磁性部分を構成する軟磁性体層の厚さを0.1〜5.0
mmとすること、軟磁性部材を構成する磁性粉末が偏平
状及び/又は針状及び/又は粒状であることが等が挙げ
られる。更に、使用される軟磁性体粉末の平均粒径は、
150μm以下とすることが望ましく、これ以上では、
渦電流損失により変換効率の低下が顕著となってくる。
発明のコードレスパワーステーションについて詳細に説
明する。最初に、本発明のコードレスパワーステーショ
ンの概要について説明する。図5及び図6は、本発明の
コードレスパワーステーションの主要部を示す断面図で
ある。又、図2は、平面ミアンダ型コイルの概要を示す
説明図である。図6に示すように、このコードレスパワ
ーステーションは、空隙(d)10を介して対向するコ
イル3,4間に生じる電磁誘導作用を利用して非接触に
電力を伝送するもので、コイル3,4の対向する面の反
対側の面の外側部には、軟磁性体粉末と有機結合剤とを
含む軟磁性体層を設けた軟磁性部材7,8が装着されて
いる。軟磁性体粉末と有機結合剤で形成することによ
り、軟磁性部材7,8は変形応力に対しても割れにくい
性質を有するようになる。この軟磁性部材7,8は、後
述するように、磁束漏れを防止する効果がある。このよ
うなコードレスパワーステーションの場合、後述するよ
うに、伝送電力の増大と変換効率の向上とが顕著にな
る。
電源に接続される方のコイルを1次側(入力側6)、機
器に接続される方のコイルを2次側(出力側5)とすれ
ば、伝送電力の増大と変換効率の向上とを一層強化する
ために、幾つかの異なるコードレスパワーステーション
を構成することができる。
又は平面ミアンダ型コイル及びその組み合せとすると共
に、軟磁性部材7,8を軟磁性体粉末と有機溶剤とを含
む軟磁性体層とし、各コイルの出力側部分の外側部に軟
磁性部材を装着する構成(図6参照)や、あるいは、各
コイルにおける入力側部分及び出力側部分のそれぞれの
外側部に軟磁性部材を装着した構成(図5参照)等があ
げられる。又、これらの軟磁性体層を可とう性支持体上
に形成してもよく、この場合は、よりフレキシブルな軟
磁性部材を構成することができる。但し、これらのコー
ドレスパワーステーションにおける軟磁性部材の軟磁性
体層の厚さは、0.1〜5.0mmとすることが好まし
い。こうした幾つかのコードレスパワーステーションに
おいて、出力側のコイル、又は入力側のコイルの外側部
に軟磁性体粉末と有機結合剤とを含む軟磁性体層を設け
た軟磁性部材を装着することによって、伝送電力、変換
効率等が向上する理由は、コイルより発生した磁束が軟
磁性部材部に集中して通るようになるため、漏れ磁束の
低減を図れるからである。
さを0.1ないし5.0mmの範囲に限定した理由は、
0.1mm以上とすると磁束を捕捉する効果が明かに認
められるが、5.0mm以上にすると薄型化への効果が
著しく低下するためである。
とした理由は、複数の空芯コイルが同一平面上に密に配
置されていると、それに対応して磁束量の増加が生じる
ので、薄型のままで伝送電力の増加が図れるからであ
る。
ル(図2にその概要を示す)とした理由は、隣接する導
線から発生する磁束が互いに逆向きであるため、互いに
強め合い、更に、周囲への電磁雑音を抑制でき、位置ず
れによる磁束分布が0とならない特性により、位置ずれ
による伝送特性の劣化が抑制でき、平面的自由度が高い
システムが得られるからである。なお、径が同じで、対
向する平面渦巻型コイルの場合、コイルの中心軸が1次
側コイルの半径分ずれると、伝送電力が0になってしま
う。
持体としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、
ポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、トリア
セチルセルロース、ナイロン、セロファン等のプラスチ
ックフィルムを使用することができる。
体層の形成に使用できる軟磁性体粉末としては、鉄アル
ミ珪素合金(センダスト)、鉄ニッケル合金(パーマロ
イ)、純鉄、Fe−Si合金等の金属軟磁性材料をその
代表的素材としてあげることができる。それは、金属軟
磁性材料の方がフェライト軟磁性材料に比べ、磁化が約
2倍以上高い値を示すのに加え、偏平化が容易であるか
らである。偏平状(もしくは針状)粉末の場合は、その
アスペクト比は、十分に大きい(おおよそ5:1以上)
ことが好ましい。
結合剤としては、ポリエステル系樹脂、ポリ塩化ビニル
系樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリウレタン樹
脂、セルロース系樹脂、ニトリル−ブタジエン系ゴム、
スチレン−ブタジエン系ゴム等の熱可塑性樹脂、あるい
は、それらの共重合体、エポキシ樹脂、フェノール樹
脂、アミド系樹脂、イミド系樹脂等の熱硬化性樹脂をあ
げることができる。
ションに関し、その製造方法も含めて幾つかの具体的な
実施例を説明する。
テレフタレートの片面に、乾燥、硬化後の膜厚が2mm
となるように下記の組成の配合からなる軟磁性体ペース
トをドクターブレード法により塗布し、85℃にて24
時間キュアリングを行い、軟磁性部材を作製した。この
軟磁性部材の混合比、及び諸元を次に示す。 ・偏平状軟磁性体微粉末・・・・・・・・・・・・・・・90重量部 組成 :Fe−Al−Si合金 平均粒径 :10μm アスペクト比:>5 ・有機結合剤 ポリウレタン樹脂・・・・・・・・・・・・・・・・・ 8重量部 硬化剤(イソシアネート化合物) ・・・・・・・・ 2重量部 ・溶剤(シクロヘキサノンとトルエンの混合物)・・・・40重量部
で、直径100μmの銅線を100本束ねたものを5タ
ーン巻線し、外径30mm、内径15mm、厚さ1.5
mmに作製し、これらを対向させて電源に接続される方
を1次側(入力側)、電磁誘導で出力が発生する方を2
次側(出力側)とした。
の空隙を持たせて対向させ、この平面渦巻型コイルのう
ちの2次側の外側部に上述した軟磁性部材を装着すると
共に、更に、2次側には純抵抗負荷を接続してコードレ
スパワーステーションを作製した。
ツ状の平面渦巻型コイルの1次及び2次の両側の外側部
に、上記軟磁性部材を装着する以外は、実施例1と同様
にして、コードレスパワーステーションを作製した。
を装着しないで空芯コイルとする以外は、実施例1と同
様にして、コードレスパワーステーションを作製した。
を直径50μmのアモルファス細線を400本束ねたも
のを15束放射状に配置し、これらの外径が35mm、
厚さが2.5mmになるように作製したアモルファス磁
性線材を用いる以外は、実施例1と同様にして、コード
レスパワーステーションを作製した。
ドレスパワーステーションについて、電源周波数f=1
00kHz、1次側電圧V1=4Vの一定条件で、それ
ぞれ2次側出力(最大伝送電力)P2、変換効率η[但
し、η=(出力電圧/入力電圧)×100](%)を求
めたところ、表1に示すような結果となった。
方面に軟磁性体粉末と有機結合剤とを含む軟磁性体層を
設けた軟磁性部材を装着すると、軟磁性部材を装置しな
い空芯のものの場合、又、アモルファス磁性線材を軟磁
性部材として使用した場合に比べて、明かに2次側出力
P2、変換効率ηは向上することがわかる。更に、本発
明における軟磁性部材を2次側のみに装着する場合より
も1次及び2次の両側に装着した場合の方が、各測定値
ともに、明かに高い値を示すことがわかる。
性体層の厚さを、それぞれ0,0.1,0.2,0.5,
1,3,5mmになるように軟磁性部材を作製し、実施
例2と同様な手順でドーナツ状の平面渦巻型コイルを対
向させ、1次及び2次の両側の外側部にそれぞれ装着し
て、各種コードレスパワーステーションを作製した。
ーションの変換効率ηを求めたところ、表2に示すよう
な結果となった。
方面に軟磁性体粉末と有機結合剤とを含む軟磁性体層を
設けた軟磁性部材を装着することにより、明かに変換効
率ηが向上することがわかる。特に、軟磁性体層の厚さ
を0.1mm以上とすると、変換効率ηが顕著に向上す
ることがわかる。又、5.0mm以上にしても、更に厚
くする効果が殆ど期待できないことがわかる。
粉末で、平均粒径が、約5,10,30,50,70,
100,150,200μmのものを使用し、実施例1
の条件で軟磁性部材を作製し、実施例2の構成で、前述
した測定条件にて変換効率ηを測定した。その結果を図
1に示す。平均粒径が150μm以下の粉末で変換効率
が高い値を示していることがわかる。
径が30mm、内径が15mm、厚さが1.5mmのド
ーナツ状の平面渦巻型コイルを空隙1mmで対向させて
構成した場合について説明したが、対向するコイルは、
これに限定されるのではなく、導線径、形状、巻数、大
きさ、コイル間の空隙等を任意に変化させても、原理的
に空隙を介して電磁誘導作用を導入できるものであれ
ば、適用可能である。又、各実施例では、測定に用いた
電源周波数を100kHzとしたが、この周波数も限定
されるものではなく、交流であれば電磁誘導の原理に基
づいて任意に周波数を選定できる。
部に装着する軟磁性部材として、可とう性を有する支持
体の一方面に軟磁性体粉末と有機結合剤を含む軟磁性体
層を形成したものについてのみ述べている。しかしなが
ら、本発明の原理からわかるように、軟磁性部材は、こ
の構成に限定されるものでなく、軟磁性粉末と高分子樹
脂との複合状態を構成していればよく、可とう性を有す
る支持体を必ずしも必要とするものではない。例えば、
軟磁性体粉末と有機溶剤のみの構成でもよい。又、可と
う性を有する支持体の両面に軟磁性体層を形成してもよ
いことは、当業者であれば容易に理解できる。
iとNi−Fe合金についてのみ述べたが、これらの合
金に限定されるものではなく、磁性材料が軟磁性を示
し、使用周波数帯で強磁性を示すものであればよいこと
は、当然のことと言える。又、これらの合金の形状につ
いても、偏平状や粒状であってもよく、軟磁性体層が電
磁誘導の効率向上に寄与する状態であれば、必ずしも粉
末粒子形状を限定しなくてもよい。従って、粒子の形状
としては、偏平状、針状、粒状、もしくは、これらの混
合状態であってもよい。
0.2mmのワイヤで、ピッチ間隔を5mmとし、図2
に概略を示すようなパターンで、全体の大きさを縦10
0mm(図2のY方向)、横95mm(図2のX方向)
に作製した。このコイルを用いて平面ミアンダ型コイル
から発生する磁束密度の分布を調査するために、コイル
の横方向(X方向)に0から20mmまでを測定した。
その結果を図3に示す。図3からわかるように、平面ミ
アンダ型コイルを用いた場合、導線の中間に大きなピー
クが現れ、又、横方向の磁束分布で0になる点がないこ
とがわかった。又、コイルの外側への磁束の漏れ状況を
調査したところ、コイルの外側約5mmで、磁束はコイ
ル内部の磁束密度の1/3から1/4に減少し、約10
mm外側では殆ど0であることがわかった。これは、平
面ミアンダ型コイルを用いることにより、電力伝送特性
を向上でき、又、コイル間のずれによる伝送特性への影
響を小さくでき、更に、周囲への電磁雑音の影響を小さ
くできることを示している。
の送電側と受電側の位置ずれに関する電力の伝送特性を
調査した。受電側として、導線直径0.2mm、縦10
0mm、横12.5mm、巻数5ターンの長方形のコイ
ルを用いて、横(X)方向の位置ずれについて検討し
た。その結果を図4に示す。図4からわかるように、伝
送電力が受電側コイルの位置により0となることはな
い。これは、位置ずれによる伝送特性の劣化が抑えら
れ、かつ、位置ずれにより出力が0とはならない安全な
コードレスパワーステーションを供給できることを示し
ている。
ワーステーションによれば、空隙を介して対向するコイ
ル間に生じる電磁誘導作用に対し、コイルの外側に装着
した高分子複合軟磁性部材により、磁束漏れを防止する
ようにしているので、伝送電力及び変換効率が顕著に向
上される。これにより、コードレスパワーステーション
における顕著な薄型化と安全性が図られると同時に、使
用されるコイル部分も薄型化され、コイルの外側部に用
いられる軟磁性部材としては、割れにくい、加工しやす
い、強度も高い磁性部材が使用でき、各分野での有効な
応用が期待される。特に、人工心臓の駆動装置、あるい
は非接触ICカードへの電力供給手段として用いれば、
従来になく安定した電力供給を行い得るので、産業上、
極めて有益となる。
換効率との関係を示す図。
X方向)での磁束密度の分布を示す図。
向)での出力の分布を示す図。
部を示す断面図。
部を示す断面図。
Claims (8)
- 【請求項1】 空隙を介して対向し、一方が入力側コイ
ル、他方が出力側コイルとなるコイルを含み、該対向す
るコイル間に生じる電磁誘導作用を利用して非接触に電
力を伝送するコードレスパワーステーションにおいて、
軟磁性体粉末と有機結合剤とを含む軟磁性体層を設けた
軟磁性部材を前記対向するコイルの一方又は両方の前記
コイルの対向する面の反対の面に配することを特徴とす
るコードレスパワーステーション。 - 【請求項2】 請求項1記載のコードレスパワーステー
ションにおいて、前記対向するコイルの少なくとも一方
は平面渦巻型コイルよりなることを特徴とするコードレ
スパワーステーション。 - 【請求項3】 請求項1記載のコードレスパワーステー
ションにおいて、前記対向するコイルの入力側は平面ミ
アンダ型コイルと平面渦巻型コイルよりなり、それぞれ
平面ミアンダ型コイルは入力側部分を、平面渦巻型コイ
ルは出力側部分を構成することを特徴とするコードレス
パワーステーション。 - 【請求項4】 請求項1記載のコードレスパワーステー
ションにおいて、前記対向するコイルは少なくとも一方
がミアンダ型コイルであることを特徴とするコードレス
パワーステーション。 - 【請求項5】 請求項1、2、3及び4記載のいずれか
のコードレスパワーステーションにおいて、前記軟磁性
部材は、可とう性を有する支持体の少なくとも一方面に
軟磁性体粉末と有機結合剤とを含む軟磁性体層を形成す
ることを特徴とするコードレスパワーステーション。 - 【請求項6】 請求項1、2、3、4、及び5のいずれ
かに記載のコードレスパワーステーションにおいて、前
記軟磁性部材に用いる軟磁性体粉末が、偏平状及び/又
は針状及び/又は粒状の粉末であることを特徴とするコ
ードレスパワーステーション。 - 【請求項7】 請求項1、2、3、4、5、及び6記載
のいずれかのコードレスパワーステーションにおいて、
前記軟磁性部材を構成する軟磁性体粉末の平均粒径を1
50μm以下(0を含まず)とすることを特徴とするコ
ードレスパワーステーション。 - 【請求項8】 請求項1、2、3、4、5、6、及び7
記載のいずれかのコードレスパワーステーションにおい
て、前記軟磁性部材を構成する軟磁性体層の厚さが0.
1〜5.0mmの範囲内であることを特徴とするコード
レスパワーステーション。
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