JP4681742B2 - 非接触カプラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は磁気結合方式の非接触カプラに関し、たとえば電気自動車等の電気機器への給電もしくは充電を非接触で行うのに利用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車や電気自転車、あるいはその他の電気機器への給電や充電を非接触で行う手段として、磁気結合方式の非接触カプラが提供されている。
【０００３】
図１２は従来の非接触カプラの構成例であって、（Ａ）は磁気コア１’の破断斜視図、（Ｂ）はその平面図、（Ｃ）は上記コア１’を用いた非接触カプラの断面図、（Ｄ）はその等価回路図をそれぞれ示す。同図に示す非接触カプラは、Ｕ字状の開磁路を形成する一対の円盤状磁気コア１’，１’に一次コイルＬ１と二次コイルＬ２を振り分けて巻回するとともに、両コア１’，１’を開磁面側同士で近接対向（間隙ｄ）させて環状の閉磁路Ｂを形成することにより、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２間で交流（高周波）の電力伝達を行わせる。この場合、一次コイルＬ１が巻回されたコア１’はトランスの一次側に相当し、二次コイルＬ２が巻回されたコア１’はトランスのそのトランスの二次側に相当する。一次側と二次側は間隙ｄを置いて近接対向させられることにより、あたかも一つのトランスとして動作する。
【０００４】
各磁気コア１’，１’はそれぞれ、一次側と二次側間の磁気的結合を密に行わせるために、つまり一次側と二次側間に高い結合係数を確保するために、全体を隙間の無い充実一体構造（いわゆる無垢構造）とすることが行なわれていた。これにより、一次側と二次側間の磁路Ｂは、上記間隙ｄの部分を除いて、すべて、磁気コア１’，１’の内部に閉じこめられた状態で形成される（以上、特開昭２０００−１５０２７３参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した技術には、次のような問題のあることが本発明者らによってあきらかとされた。
すなわち、一次側と二次側間の磁路Ｂを充実一体形状の磁気コア１’，１’内に完全に閉じこめる上述した構成は、両磁気コア１’，１’が互いに同一で対向させられたときには高い結合係数を得ることができるが、図１３の（Ａ）（Ｂ）に示すように、両磁気コア１’，１’間に横方向の位置ズレ（横ズレ）ｈが生じると、上記結合係数はその横ズレによって大きく低下する。この横ズレによる結合係数の変化度合が大きいと、一次側と二次側間の位置合わせがきわどくなるため、非接触カプラの使い勝手が悪くなる。
【０００６】
また、非接触カプラの重量の大半は磁気コアが占めるが、上述した磁気コア１’，１’は全体が隙間の無い充実一体形状であるために高重量となるのを避けることができず、このことが非接触カプラの軽量化をはかる上で大きな阻害要因となっていた。
【０００７】
この発明は、以上のような問題に鑑みてなされたもので、第１の目的は、非接触カプラをその性能を確保しつつ軽量化させることにある。
第２の目的は、上記第１の目的に加えて、非接触カプラの一次側と二次側の位置合わせに余裕を持たせて使い勝手を向上させることにある。
そのほか、本発明の上記以外の目的と特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では次のような手段を提供する。すなわち、本発明の第１の手段は、それぞれにＵ字状の開磁路を形成する一対の磁気コアに一次コイルと二次コイルが振り分けて巻回されているとともに、両コアが前記Ｕ字の開口側である開磁面側同士で近接対向しつつ上下に積層されていることで、環状の閉磁路が形成されて、一次コイルと二次コイル間で交流の電力伝達が行われる非接触カプラであって、
前記一次側と二次側の各磁気コアは、同じ形状を有して奇数の複数のコア部に分割形成されているとともに、各コア部は、空間磁路が形成されるように、間隙を介して離間するように円陣配置され、
前記一次側と二次側の各磁気コアのそれぞれのコア部は、互いに対向する側の磁気コアの間隙に重なるように配置されて、当該配置状態で前記各磁気コア間の磁気結合が形成されている、
ことを特徴とする。
【０００９】
上記第１の手段によれば、一次側コアと二次側コア間の磁気結合が、各分割形成部分の先端面だけではなく、その側面に跨った広い範囲で行われるようになる。つまり、一次側と二次側間でのコアの対向面積が実効的に拡大されるとともに、本来の磁路と垂直方向（巻線と同じ方向）への磁気回路が遮断されるようになり、この結果、両コアが互いに横ズレしても、一次側と二次側の磁気的結合を維持することができる。同時に、コアを分割形成したことによってコア全体が軽量化される。これにより、非接触カプラをその性能を確保しつつ軽量化させるという前記第１の目的と、非接触カプラの一次側と二次側の位置合わせに余裕を持たせて使い勝手を向上させるという前記第２の目的を共に達成することができる。
【００１０】
第２の手段は、上記第１の手段において、前記複数のコア部は、それぞれ、上面形状が扇状の個別の複数のコア部材で形成されて、各コア部材間に当該コア部材と同型となる扇型の前記間隙部が介在していることを特徴とする。これにより、同一形状のコア部材を使うことによる生産の合理化をはかりつつ、上記第１の手段の場合と同様の効果を得ることができる。
【００１１】
第３の手段は、上記第１の手段において、前記一次側と二次側の各磁気コアの上面形状は、それぞれの上面形状が長方形となる前記コア部が放射状に円陣配置された形状であることをと特徴とする。この手段の場合も、第２の手段の場合と同様、上記目的を達成するための磁気コアの生産性を高めることができるという効果を得ることができる。
【００１２】
第４の手段は、上記第３の手段の手段において前記複数のコア部は、個別の複数のコア部材で構成されていることを特徴とする。これにより、上記目的を達成するための磁気コアを生産性を向上させることができる。
【００１３】
第５の手段は、上記第３の手段において、前記一次側と二次側の各磁気コアは、全体が一様な厚みを有する板状であることを特徴とする。これにより、コア部材を加圧成型および焼成によって形成する際に、成型および焼成時の条件等を最適化してコア部材の均質性および特性の安定性を向上させることができる。
【００１５】
第６の手段は、上記第１の手段において、前記一次側と二次側の各磁気コアをそれぞれ、環状の外周側コア部材、円盤状の内周側コア部材、および両コア部材間を架橋しながら放射状に円陣配置された複数の中間コア部材とで形成したことを特徴とする。
【００１６】
上記第６の手段によれば、コアを軽量化しながら磁路方向での断面積のバラツキを小さくすること、すなわち磁路バランスを改善してコア損失を低減させることができる。これにより、前記第１の目的を効果的に達成することができる。
【００１７】
第７の手段は、上記第６の手段において、各中間コア部材の内周側端部がそれぞれテーパ状に形成されていることを特徴とする。これにより、コアの軽量化と磁路バランスの最適化をはかることができる。
【００１８】
第８の手段は、上記第６または７の手段において、各中間コア部材の外周側端部が拡幅されていることを特徴とする。この場合も、第８の手段と同様、コアの軽量化と磁路バランスの最適化をはかることができる。
【００１９】
第９の手段は、上記第１の手段において、前記一次側と二次側の各磁気コアの非対向側コーナ部が面取り形成されていることを特徴とする。
【００２０】
上記第１０の手段によれば、磁束密度が疎となる部分を除去することによってコアの軽量化すなわち非接触カプラの軽量化をはかることができるとともに、磁路バランス改善によるコア損失の軽減をはかることができる。これにより、前記第１の目的を達成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による非接触カプラの第１実施例を示す。この実施例の非接触カプラは、同図の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、一次側と二次側の各磁気コア１，１をそれぞれ扇状（開度＝４５度）のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃで形成するとともに、各コア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃの間にそのコア部材と同形の扇状隙間（ｇ＝７５度）を介在させてある。各コア部材１Ａ，１Ｂ，１ＣはそれぞれＵ字状の開磁路を形成すべく、片側面にＵ字切欠部２が形成されている。
【００２２】
一次側のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃと二次側のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃはそれぞれ、開磁面側同士で近接対向させられて環状の閉磁路Ｂを形成することにより、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２間で交流（高周波）の電力伝達を行わせる非接触カプラを形成する。この場合、一次側と二次側の両コア部材１Ａ−１Ａ，１Ｂ−１Ｂ，１Ｃ−１Ｃはそれぞれに対をなして磁気結合されることにより、同図の（Ｄ）または（Ｅ）に示すようなトランス等価回路を形成する。
【００２３】
このようにして、一次側と二次側の各磁気コア１，１の少なくとも互いに対向する側の部分を分割形成するとともに、各分割形成部分の間に空間磁路（空間に形成される磁路）を形成する隙間（ｇ）を介在させた非接触カプラが形成されている。この非接触カプラは、上記扇状隙間（ｇ＝７５度）の分だけ、コア１，１の重量が減量されている。
【００２４】
各コア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃの非対向側コーナ部はあらかじめ面取り形成されている。符合３はその面取り部を示す。この面取り部３を形成したことにより、コア１，１はさらに軽量化されるとともに、コア縁端部での折損が生じにくくなっている。コア部材は加圧成型および焼成によって製造されるフェライト磁性体が主に使用されるが、このフェライト磁性体は概して脆いため、その製造や運搬あるいは組立時等に縁端部が折損しやすいという難点があるが、上記面取り部３はその折損の予防にも有効である。さらに、大型のフェライトコアは、加圧成型時の加圧を均一に行うことが難しいとともに、焼成時に亀裂が生じやすいといった製造上の困難があるが、これらの困難は、上述のようにコアを分割形成することによって解消することができる。
【００２５】
図２は、図１に示した非接触カプラの横ズレに対する特性の変化状態を示す。同図において、実線は図１に示した本発明による非接触カプラの特性曲線、破線は図１２に示した従来の非接触カプラの特性曲線をそれぞれ示す。同図に示すように、図１に示した非接触カプラは、従来のものに比べて、コイルＬ１，Ｌ２の自己インダクタンスと相互インダクタンスはそれぞれ全体的に低くなっているが、一次側コアと二次側コアの位置が横方向へずれたときのインダクタンス低下度合は、従来のものよりも大幅に小さくなっている。また、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２間の結合係数について、平均的には従来のものに比べてそれほど違わないが、横ズレ（横方向への位置ズレ）に対する変化が大幅に緩和されることが判明した。
【００２６】
図３は、図１に示した非接触カプラに上記横ズレ（ｈ）が生じた場合の空間磁路の状態を模式的に示す。同図に示すように、一次側と二次側の各磁気コア１，１が分割形成されていると、一次側コア１と二次側コア１間の磁気結合が、各分割コア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃの先端面だけではなく、その先端面と側面の両方に跨った広い範囲で行われるようになる。これによって、一次側と二次側間でのコア１，１の実効的な対向面積が拡大されるとともに、その実効対向面積が横ズレ（ｈ）の場合でも維持されるようになる。また、本来の磁路と垂直方向（巻線と同じ方向）への磁気回路が遮断されるようになり、この結果、両コアが互いに横ズレしても、一次側と二次側の磁気的結合を維持することができる。同時に、コアを分割形成したことによってコア全体が軽量化される。
【００２７】
これにより、非接触カプラをその性能を確保しつつ軽量化させることができるとともに、非接触カプラの一次側と二次側の位置合わせに余裕を持たせてその使い勝手を向上させることができるようになる。
【００２８】
図４の（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、図１に示した磁気コア１，１による非接触カプラの形成例を示す。同図において、一次側と二次側の各磁気コア１，１はいずれも、等角間隔で円陣配置された同じ奇数（３個）のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃで形成されている。この場合、一次側すなわち上コア１をなすコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃと、二次側すなわち下コア１をなすコア部材Ａ，１Ｂ，１Ｃと間の位置関係は、同図の（Ａ）または（Ｂ）に示すように、２通りの方式が可能である。
【００２９】
すなわち、（Ａ）に示す方式では、上コア１を形成するコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃと、下コア１を形成するコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃとが、上下方向で重なり合うように配置され、この配置状態で一次側と二次側間を磁気結合させる非接触カプラを形成するようにしている。
【００３０】
また、（Ｂ）に示す方式では、上コア１を形成するコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃと、下コア１を形成するコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃとがそれぞれ、対向する側のコア部材の間隙に重なるように配置され、この配置状態で一次側と二次側間の磁気結合させる非接触カプラを形成するようにしている。
【００３１】
ここで、（Ｂ）に示す方式では、上下のコア１，１が矢印方向（ｈ）にずれたときのコア部分の対向面積の減少率を小さく、これにより、その矢印方法（ｈ）への横ズレに対する結合係数の低下度合をさらに緩和することができるという特徴がある。したがって、矢印方向（ｈ）に大きな横ズレが予想される用途では、（Ｂ）に示すような配置方式で非接触カプラを形成するとよい。
【００３２】
図５は本発明による非接触カプラの第２実施例を示す。前記第１の実施例との相違に着目して説明すると、この第２実施例の非接触カプラは、同図の（Ａ）（Ｂ）に示すように、一次側と二次側の磁気コア１，１がそれぞれ放射状に円陣配置された複数の長形コア部材１１で形成されている。各長形コア部材１１は、図６に示すように、全体（Ａ，Ｂ，Ｄ部）が一様な厚みを有する板状に形成されている（ｔ１＝ｔ２＝ｔ３）。このような形状のコア部材１１は、加圧成型を均一に行うのに有利であり、したがって、成型および焼成時の条件等を最適化してコア部材の均質性および特性の安定性を向上させることができる。また、各コア部材１１はそれぞれにＵ字状の開磁路を形成するが、そのＵ字状開磁路の両端面での面積（ｔ１×Ａ，ｔ２×Ｂ，ｔ３×Ｃ）を同じに揃える（ｔ１×Ａ＝ｔ２×Ｂ＝ｔ３×Ｃ）ことにより、コア部材１１内での磁路バランスを最適化してコア損失を低減させることができる。
【００３３】
図７は本発明による非接触カプラの第３実施例を示す。この実施例の非接触カプラは、同図（Ａ）に示す３種類のコア部材１２，１３，１４を用いて、同図（Ｂ）（Ｃ）のように組立てられた磁気コア１を使用する。この磁気コア１は、環状の外周側コア部材１２、円盤状の内周側コア部材１３、および両コア部材１２と１３間を架橋しながら放射状に円陣配置された多数の中間コア部材１４とで形成されている。これにより、コア１を軽量化しながら磁路方向での断面積のバラツキを小さくすること、すなわち磁路バランスを改善してコア損失を低減させることができる。
【００３４】
図８は、図７に示したコア１の磁路断面積の状態を示す。図７に示したコア１は、外周側コア部材１２、内周側コア部材１３、中間コア部材１４とによってＵ字状の開磁路を形成する。このＵ字状開磁路は、図８の（Ａ）に示すように、区間ａ１〜ａ５に分けることができるが、各区間ａ１〜ａ５での磁路断面積は、同図（Ｂ）の実線グラフのようになる。同図（Ｂ）において、破線のグラフは図１１に示した従来の一体型コアの対応部分における磁路断面積の状態を示す。両グラフの比較からわかるように、図７に示したコア１は、外周側コア部材１２、内周側コア部材１３、中間コア部材１４のそれぞれの形状やサイズ等を選ぶことによって磁路断面積の変化（段差）を小さくすることができ、これにより、良好な磁路バランスを得てコア損失を低減させることができる。
【００３５】
図９は、上記中間コア部材１４の好ましい実施例を示す。同図（Ａ）に斜視図で示す中間コア部材１４はその内周側端部（部材１４側）にテーパ部４１が形成されている。また、同図（Ａ）に横断面図で示す中間コア部材１４は、上記テーパ部４１に加えて、その外周側端部（部材１２側）に拡幅部４２が形成されている。図８に示した実線グラフでは、区間ａ１とａ２の境で磁路断面積が不連続に変化しているが、この不連続変化は、図９の（Ａ）（Ｂ）にそれぞれ示した形状の中間コア部材１４を使用することによって軽減させることができる。
【００３６】
図１０は本発明による非接触カプラの第４実施例を示す。この実施例は、同図（Ａ）（Ｂ）に示すように、磁気コア１，１の対向側部分だけを分割形成したものであって、コア１全体は連続一体形状となっている。このような構成でも、前記第１および第２の目的を達成することが可能である。
【００３７】
図１１の（Ａ）（Ｂ）は本発明による非接触カプラの第５実施例を示す。この実施例は、同図（Ａ）（Ｂ）に示すように、従来の円盤状磁性磁気コア（図１２）の非対向側コーナ部を面取りしただけであるが、その面取り部３を設けるだけでも、非接触カプラの軽量化、および磁路バランス改善によるコア損失の軽減をはかることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による非接触カプラによれば、一次側と二次側の各磁気コアの少なくとも互いに対向する側の部分を分割形成するとともに、各分割形成部分の間に空間磁路を形成する隙間を介在させることにより、非接触カプラをその性能を確保しつつ軽量化させることができ、さらに、非接触カプラの一次側と二次側の位置合わせに余裕を持たせて使い勝手を向上させることができる。
【００３９】
また、一次側と二次側の各磁気コアをそれぞれ、環状の外周側コア部材、円盤状の内周側コア部材、および両コア部材間を架橋しながら放射状に円陣配置された多数の中間コア部材とで形成することにより、磁路バランスを改善してコア損失を低減させることができる。
【００４０】
さらに、一次側と二次側の各磁気コアの非対向側コーナ部を面取り形成することにより、コアの軽量化すなわち非接触カプラの軽量化をはかることができるとともに、磁路バランス改善によるコア損失の軽減をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による非接触カプラの第１実施例を示す図である。
【図２】図１に示した非接触カプラの横ズレに対する結合係数の変化状態を示すグラフである。
【図３】図１に示した非接触カプラにおける空間磁路の状態を模式的に示す図である。
【図４】図１に示した非接触カプラおけるコア部材の配置例を示す図である。
【図５】本発明による非接触カプラの第２実施例を示す図である。
【図６】図５に示した磁気コアの一部を示す斜視図である。
【図７】本発明による非接触カプラの第３実施例を示す図である。
【図８】図７に示したコアの磁路断面積の状態を示すグラフである。
【図９】図７に示したコアの一部をなす中間コア部材の実施例を示す図である。
【図１０】本発明による非接触カプラの第４実施例を示す図である。
【図１１】本発明による非接触カプラの第５実施例を示す図である。
【図１２】従来の非接触カプラの構成例を示す図である。
【図１３】従来の非接触カプラの横ズレに対する結合係数の変化状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 磁気コア（本発明）
１’ 磁気コア（従来）
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 扇状コア部材
１１〜１４ コア部材
２ Ｕ字切欠部
３ 面取り部
４１ テーパ部
４２ 拡幅部
Ｂ 磁路
ｄ 一次側コアと二次側コア間の間隙
ｇ コア部材間の隙間
ｈ 横ズレ（横方向への位置ズレ）
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル

Claims (9)

1. それぞれにＵ字状の開磁路を形成する一対の磁気コアに一次コイルと二次コイルが振り分けて巻回されているとともに、両コアが前記Ｕ字の開口側である開磁面側同士で近接対向しつつ上下に積層されていることで、環状の閉磁路が形成されて、一次コイルと二次コイル間で交流の電力伝達が行われる非接触カプラであって、
   前記一次側と二次側の各磁気コアは、同じ形状を有して奇数の複数のコア部に分割形成されているとともに、各コア部は、空間磁路が形成されるように、間隙を介して離間するように円陣配置され、
   前記一次側と二次側の各磁気コアのそれぞれのコア部は、互いに対向する側の磁気コアの間隙に重なるように配置されて、当該配置状態で前記各磁気コア間の磁気結合が形成されている、
   ことを特徴とする非接触カプラ。
2. 請求項１において、前記複数のコア部は、それぞれ、上面形状が扇状の個別の複数のコア部材で形成されて、各コア部材間に当該コア部材と同型となる扇型の前記間隙部が介在していることを特徴とする非接触カプラ。
3. 請求項１において、前記一次側と二次側の各磁気コアの上面形状は、それぞれの上面形状が長方形となる前記コア部が放射状に円陣配置された形状であることをと特徴とする非接触カプラ。
4. 請求項３において、前記複数のコア部は、個別の複数のコア部材で構成されていることを特徴とする非接触カプラ。
5. 請求項３において、前記一次側と二次側の各磁気コアは、全体が一様な厚みを有する板状であることを特徴とする非接触カプラ。
6. 請求項１において、前記一次側と二次側の各磁気コアをそれぞれ、環状の外周側コア部材、円盤状の内周側コア部材、および両コア部材間を架橋しながら放射状に円陣配置された複数の中間コア部材とで形成したことを特徴とする非接触カプラ。
7. 請求項６において、各中間コア部材の内周側端部がそれぞれテーパ状に形成されていることを特徴とする非接触カプラ。
8. 請求項６または７において、各中間コア部材の外周側端部が拡幅されていることを特徴とする非接触カプラ。
9. 請求項１において、前記一次側と二次側の各磁気コアの非対向側コーナ部が面取り形成されていることを特徴とする非接触カプラ。

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