JP5240786B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電する非接触給電装置に関し、装置の小型軽量化とコスト低減を図るものである。

非接触給電装置は、一次コイルと二次コイルとの間の電磁誘導を利用して一次コイルから二次コイルに電力を供給する。この非接触給電装置は、電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載された二次電池を充電するための給電装置として、利用の拡大が見込まれている。
図９は、非接触給電装置を用いたプラグインハイブリッド車の給電システムを示している。
エンジン１０７とともにモータ１０６を駆動源として搭載する車両１００は、モータ１０６用の電源である二次電池１０４と、二次電池１０４の直流を交流に変換してモータ１０６に供給するインバータ１０５と、二次電池１０４の充電回路１０３と、非接触給電装置の二次コイル１０２とを備えており、二次コイル１０２は、車体の床面の外側に設置される。
一方、給電ステーション側（地上側）は、商用周波数の交流電源２００と、この交流を直流に変換し、さらに高周波交流を生成するインバータ２０１と、非接触給電装置の１次コイル２０２とを備えており、１次コイル２０２は地上に設置される。
運転者は、二次コイル１０２が一次コイル２０２の真上に来るように車両１００を停止させて、二次電池１０４への給電を開始する。

この非接触給電装置の主な課題は、一次コイル２０２と二次コイル１０２との位置ずれに対する対策と、車両に搭載する装置の小型軽量化、コスト低減である。
非接触給電装置では、一次コイル２０２に対して二次コイル１０２の位置がずれたり、コイル間のギャップが拡がったりすると、受電効率が低下する。そのため、従来の非接触給電装置を用いる車両給電システムの多くは、車両の停止位置を機械的に規制して、一次コイル２０２と二次コイル１０２との位置ずれやギャップ長変化の範囲を厳しく制限している。
しかし、車両を決められた位置に正確に止めることは困難であり、それを強いるシステムは、一般人が利用し難い。そのため、今後は、利便性の面から、一次コイル２０２と二次コイル１０２との位置ずれが生じても所要の給電が可能なシステムが主流になると考えられる。

こうした観点から、種々の形状の一次コイル、二次コイルが開発されている。
図１０は、下記特許文献１に開示されたコイルの断面形状（ａ）及び平面形状（ｂ）を概略的に示している。この装置の１次側（給電部）は、フラットなフェライト円板から成る磁心コア２１と、磁心コア２１の片面に渦巻き状に巻回された１次コイル２２とを備えている。２次側（受電部）も給電部と同一形状であり、給電部の１次コイル２２と受電部の２次コイル３２とが、ギャップｇを介して対向する。点線Ｄは磁束線を示している。

また、図１１には、本発明の発明者等が開発した給電部及び受電部を示している。
この装置の給電部は、一次側フェライトコア６１の周りに一次側コイル６２を巻回して構成され、受電部は、二次側フェライトコア６３の周りに二次側コイル６４を巻回して構成されている。また、一次側コイル６２と二次側コイル６４とが対向する側の反対側には、それぞれ、外部への磁界の漏洩を防止するアルミ板６５、６６を設けている。点線６７は磁束線を表している。
このように、フェライトコアの周りにコイルを巻回する“両側巻方式”は、図１０のようにフェライトコアの片面にコイルを配置する“片側巻方式”に比べて、給電部及び受電部の水平方向の位置ずれや、垂直方向のギャップ長変動に対して許容量が大きいことを、本発明の発明者等は確かめている（下記非特許文献１）。
そのため、給電部及び受電部の位置ずれやギャップ長変動があっても所要の給電が可能な非接触給電装置は、両側巻方式で給電部及び受電部を形成した方が小型化できる。

特開２００８−８７７３３号公報

岩田卓也, 江原夏樹, 金子裕良, 阿部茂, 保田富夫, 井田和彦 ：「電気自動車用非接触給電装置のトランス巻線方式による特性比較」電気学会半導体電力変換研究会資料、Vol.SPC-09, No.21-42, Page109-114 (2009.01.24)

車両の給電に用いる非接触給電装置の普及を図るには、車両に搭載する装置の一層の小型軽量化およびコスト低減が重要である。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、両側巻方式で形成する受電部の更なる小型軽量化、コスト低減を可能にする非接触給電装置を提供することを目的としている。

本発明の非接触給電装置は、１次側コイルが巻回された平板状の１次側コアと、２次側コイルが巻回された平板状の２次側コアとを有し、前記１次側コア及び２次側コアの板面が空間を隔てて対向する状態で前記１次側コイルから前記２次側コイルへの非接触給電が行われる非接触給電装置であって、前記１次側コア及び２次側コアは、それぞれ、前記１次側コイルまたは２次側コイルが巻回された被コイル部と、１次側コイルまたは２次側コイルが巻回されていない平板の両側の端部から前記被コイル部の各端部に至る二つの磁極部とを有し、前記２次側コアは、前記被コイル部として、２次側コイルの巻線方向の長さが磁極部の同方向の長さよりも短い細幅被コイル部を有することを特徴とする。
１次側コアと２次側コアとの間の空間磁束分布は、磁極部の形状で決まり、コイルの起磁力は、（コイル電流の大きさ）×（巻数）で決まる。そのため、磁極部の形状及びコイルの巻数を変えなければ、被コイル部の幅を細幅にしてもしなくても、コイルの起磁力は変わらない。一方、コイル長（即ち、巻線の全長）は、（巻線の巻回箇所における被コイル部の外周の長さ）×（巻数）であるため、被コイル部の幅を細幅にするとコイル長が短くなり、コイルの抵抗が減少し、また、コイルの重量が低下して、受電部が軽くなる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記１次側コアの被コイル部を、前記２次側コアと同様に、前記１次側コイルの巻線方向の長さが前記磁極部の同方向の長さよりも短い細幅被コイル部とすることが望ましい。
こうすることで、給電部の小型軽量化、コスト低減が可能になる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記細幅被コイル部の平均厚さを、前記磁極部の平均厚さよりも厚くすることが望ましい。
細幅被コイル部を厚くすることにより、細幅被コイル部での磁束密度の飽和が回避できる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記細幅被コイル部と前記二つの磁極部とが、前記細幅被コイル部の中心を通り、前記二つの磁極部に垂直に交わる対称軸に対して線対称なＨ字形状を構成する。
このＨ形コアでは、磁束密度分布が対称軸に対して対称になる。

また、本発明の非接触給電装置は、前記一次側コアを、移動体に給電を行う給電ステーションに設置し、前記二次側コアを、給電ステーションから給電を受ける移動体に設置することができる。
移動体に搭載する受電部が軽量化され、この受電部と給電ステーションの給電部との位置ずれが許容される給電システムを構築することができる。

本発明により、非接触給電装置の移動体側に搭載する受電部の小型軽量化及びコスト低減を図ることができる。

本発明の実施形態に係るＨ形コアを示す図 対向する給電部と受電部を示す図 本発明の他の実施形態に係るＨ形コアを示す図 比較例の矩形状コアを示す図 本発明のＨ形コアと比較例の矩形状コアの磁界密度分布を示す図 磁界密度分布解析に用いた１／２モデルの形状を示す図 １／２モデルの磁界密度分布を示す図 １／２モデルの磁束線を示す図 プラグインハイブリッド車の給電システムを示す図 片側巻の給電部及び受電部を示す図 両側巻の給電部及び受電部を示す図

図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電装置の受電部を示している。
この受電部は、図１（ａ）に示すように、Ｈ形のコア４０と、このコアに巻回されたコイル５０とを有している。（ａ−２）は、平面図（ａ−１）のＡ−Ａ’位置での断面図、（ａ−３）は、平面図（ａ−１）のＢ−Ｂ’位置での断面図を示している。
図１（ｂ）は、コイル５０を除いたＨ形コア４０の形状を示している。（ｂ−２）は、平面図（ｂ−１）のＡ−Ａ’位置での断面図、（ｂ−３）は、平面図（ｂ−１）のＢ−Ｂ’位置での断面図である。

コイル５０が巻回されるコア部分４３を“被コイル部”と呼び、Ｈ形コア４０では、この被コイル部４３のＡ−Ａ’方向（即ち、コイル５０の巻線方向）の長さが、コイル５０が巻回されていないコア部分４１、４２の同方向の長さに比べて短いため、“細幅被コイル部”４３と呼ぶことにする。
Ｈ形コア４０において、コイル５０が巻回されていないコア部分４１、４２（即ち、Ｈ形コア４０の上下の端部から細幅被コイル部４３の端部に至るまでの部分）は、給電部からの磁束が進入し、または出て行く磁極部となる。

この非接触給電装置の給電部は、受電部と同一形状を有しており、図２に示すように、給電部１と受電部２との面が空間を隔てて対向した状態で、給電部１から受電部２への非接触給電が行われる。なお、符号３は主磁束を示している。磁束は、磁極部４１、４２の一方からＨ形コア４０に進入し、コイル５０が巻回された細幅被コイル部４３では、コアの中を通り、他方の磁極部から出て行く。

図４には、比較のため、矩形状コア７０にコイル５２を巻回した受電部（ａ）と、コイル５２を除いた矩形状コア７０の形状（ｂ）とを示している。（ａ−２）は、受電部の平面図（ａ−１）のＡ−Ａ’位置での断面図、（ａ−３）は、Ｂ−Ｂ’位置での断面図を示している。また、（ｂ−２）は、矩形状コア７０の断面図を示している。この矩形状コア７０の被コイル部を符号７３で、磁極部を符号７１、７２で示している。

このＨ形コア４０及び矩形状コア７０において、Ａ−Ａ’と直角方向（図の上下方向）の長さ、細幅被コイル部４３と被コイル部７３の上下方向の長さ、及び、磁極部４１、４２と磁極部７１、７２の形状は全て同じであり、Ｈ形コア４０の細幅被コイル部４３のＡ−Ａ’方向における長さと、矩形状コア７０の被コイル部７３の同方向における長さだけが違っている。
また、Ｈ形コア４０の細幅被コイル部４３に巻回されたコイル５０の巻回数と、矩形状コア７０の被コイル部７３に巻回されたコイル５２の巻回数も同じである。
これに対し、コイルのコイル長（巻線の全長）は、Ｈ形コア４０に巻回されるコイル５０と、矩形状コア７０に巻回されるコイル５２とで違っている。コイル５０のコイル長は、図１（ｂ−２）に示す断面の外周と巻回数とを掛け合せた長さとなる。一方、コイル５２のコイル長は、図４（ｂ−２）に示す断面の外周と巻回数とを掛け合せた長さであり、これは、Ｈ形コア４０に巻回されるコイル５０のコイル長よりも長くなる。
そのため、Ｈ形コア４０に巻回するコイル５０の電気抵抗は、矩形状コア７０に巻回するコイル５２の電気抵抗よりも低く、また、コイル５０の重量は、コイル５２の重量よりも軽くなる。

また、図２において、給電部１及び受電部２間の空間磁束分布は、給電部１及び受電部２の磁極部の形状により決まる。Ｈ形コア４０の磁極部４１、４２は、矩形状コア７０の磁極部７１、７２と同一形状であるため、Ｈ形コア４０を用いる場合と矩形状コア７０を用いる場合とで空間磁束分布に大きな差は生じない。
また、コイルの起磁力は、（コイル電流の大きさ）×（巻数）で決まるため、巻数が同一のコイル５０とコイル５２との起磁力は変わらない。
起磁力が同じであれば、非接触給電の給電能力は、給電部１と受電部２との相対位置だけで決まり、給電部１及び受電部２をＨ形コア４０で形成しても、矩形状コア７０で形成しても、給電能力は変わらない。
従って、Ｈ形コア４０を用いて給電部１及び受電部２（または受電部２だけ）を形成することにより、矩形状コア７０の給電能力や位置ずれ特性を損なわずに、軽くて小型な非接触給電装置を構成することができる。
また、Ｈ形コア４０の使用により、コイル５０の電気抵抗が低減するため、給電効率が向上する。

図５は、磁界解析装置を用いて、２次側の矩形状コア（ａ）及びＨ形コア（ｂ）の磁束密度分布を解析した結果について示している。この解析は、図６に示す１／２モデルを使って実施している。１／２モデルの磁束密度分布は、図７に示しており、図５は、これを矩形状及びＨ形状に合成したものである。図７において、矩形状コア（ａ）の最大磁束密度分布は、ｃの領域に現われており、０．１６Ｔであった。一方、Ｈ形コア（ｂ）では、Ａの部分が最大で０．３３Ｔ、次いで、Ｂの領域が０．２５Ｔであった。
また、図８には、１次側及び２次側の１／２モデル間の磁束線を表示している。
これらの解析結果が示すように、Ｈ形コア（ｂ）では、矩形状コア（ａ）に比べて、磁束密度が高く、磁極部の先端まで磁束が到達している。これは、磁極部からの磁束の出入りが効率的に行われていることを示している。
磁束が通過する細幅被コイル部４３では、矩形状コアに比べて断面積が小さいため、磁束密度の上昇が見られるが、磁気飽和が生じなければ問題ない。

また、磁気飽和が懸念される場合は、図３に示すように、Ｈ形コア４０の細幅被コイル部４３の平均厚み（図３（ａ−２）に示すＡ−Ａ’位置でのＨ形コア４０の厚み）を磁極部４１、４２の平均厚み（図３（ａ−３）に示すＢ−Ｂ’位置での厚み）より厚くすることで解決できる。

このように、この非接触給電装置は、給電部及び受電部の位置ずれに対する許容度が大きく、受信部の小型軽量化、コスト低減が可能である。
そのため、この非接触給電装置を移動体の給電ステーションに使用して、移動体に搭載する受電部を軽量化し、この受電部と給電ステーションの給電部との位置ずれを許容する給電システムを構築することができる。
なお、Ｈ形コアは、受電部だけに使用しても良い。
また、Ｈ形コアは、細幅被コイル部及び磁極部が、細幅被コイル部の中心を通り、二つの磁極部に垂直に交わる対称軸に対して線対称なＨ字を形成することが望ましい。しかし、その形が多少ずれても問題ない。

本発明は、非接触給電装置の給電部及び受電部の小型軽量化を可能にするものであり、電気自動車、プラグインハイブリッド車、工場内搬送車、移動ロボット、電車など、各種移動体への非接触給電に広く利用することができる。

１ 給電部
２ 受電部
３ 主磁束
２１ 磁心コア
２２ １次コイル
３２ ２次コイル
４０ Ｈ形コア
４１ 磁極部
４２ 磁極部
４３ 細幅被コイル部
５０ コイル
５２ コイル
６１ 一次側フェライトコア
６２ 一次側コイル
６３ 二次側フェライトコア
６４ 二次側コイル
６５ アルミ板
６６ アルミ板
６７ 磁束線
７０ 矩形状コア
７１ 磁極部
７２ 磁極部
７３ 被コイル部
１００ 車両
１０２ 二次コイル
１０３ 充電回路
１０４ 二次電池
１０５ インバータ
１０６ モータ
１０７ エンジン
２００ 交流電源
２０１ インバータ
２０２ １次コイル

Claims (5)

1. １次側コイルが巻回された平板状の１次側コアと、２次側コイルが巻回された平板状の２次側コアとを有し、前記１次側コア及び２次側コアの板面が空間を隔てて対向する状態で前記１次側コイルから前記２次側コイルへの非接触給電が行われる非接触給電装置であって、
   前記１次側コア及び２次側コアが、それぞれ、前記１次側コイルまたは２次側コイルが巻回された被コイル部と、前記１次側コイルまたは２次側コイルが巻回されていない平板の両側の端部から前記被コイル部の各端部に至る二つの磁極部とを有し、
   前記２次側コアが、前記被コイル部として、前記２次側コイルの巻線方向の長さが前記磁極部の同方向の長さよりも短い細幅被コイル部を有することを特徴とする非接触給電装置。
2. １次側コイルが巻回された平板状の１次側コアと、２次側コイルが巻回された平板状の２次側コアとを有し、前記１次側コア及び２次側コアの板面が空間を隔てて対向する状態で前記１次側コイルから前記２次側コイルへの非接触給電が行われる非接触給電装置であって、
   前記１次側コア及び２次側コアが、それぞれ、前記１次側コイルまたは２次側コイルが巻回された被コイル部と、前記１次側コイルまたは２次側コイルが巻回されていない平板の両側の端部から前記被コイル部の各端部に至る二つの磁極部とを有し、
   前記１次側コアが、前記被コイル部として、前記１次側コイルの巻線方向の長さが前記磁極部の同方向の長さよりも短い細幅被コイル部を有することを特徴とする非接触給電装置。
3. 請求項１または２に記載の非接触給電装置であって、前記細幅被コイル部の平均厚さが、前記磁極部の平均厚さよりも厚いことを特徴とする非接触給電装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記細幅被コイル部と前記二つの磁極部とが、前記細幅被コイル部の中心を通り、前記二つの磁極部に垂直に交わる対称軸に対して線対称なＨ字形状を構成していることを特徴とする非接触給電装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記一次側コアが、移動体に給電を行う給電ステーションに設置され、前記二次側コアが、前記給電ステーションから給電を受ける前記移動体に設置されることを特徴とする非接触給電装置。