JP5274989B2 - 非接触給電装置 - Google Patents
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Description
ケーブルやパンタグラフ等の機械的接触なしで、例えば電気自動車や電車のバッテリーに対し、外部から電力を供給する非接触給電装置が、需要に基づき開発,実用化されている。
この非接触給電装置は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、給電側である1次側のコイルから、受電側である2次側のコイルへと、電力を供給する。
すなわち、地面等に定置された1次側コイルでの磁束形成により、エアギャップを存し非接触で近接対応位置せしめられると共に、電気自動車その他の移動体に搭載された2次側コイルに、誘導起電力を生成して、電力を供給する。
さて、このような非接触給電装置では、充電効率向上,エアギャップ拡大,小型軽量化等のニーズが高まっており、このようなニーズに対応すべく、いわゆる渦巻きコイルタイプの開発,実用化が、最近進展している。このタイプでは、コイルが、渦巻き状に巻回されたフラット構造よりなると共に、フェライトコア等の磁心コアも、フラットな平板状をなしている。
そして、この種の非接触給電装置の設計に際しては、1次側コイルの巻数と2次側コイルの巻数との巻数比(ターン比)で2次側の発生電圧が決まること、および、必要とされる供給電力が与えられることが、まず前提となる。
そして、これらを前提として、1次側と2次側間のエアギャップや供給交流の周波数を基に、磁気面積そして磁心コア面積が決定され、コイル面積が巻数比をも考慮して決定される。この種従来例の非接触給電装置は、これらの各ポイントの基に設計,製作されていた。因に、コイルと磁心コア相互間での面積を目安とした最適配置については、具体的検討はなく設計自由度の範疇とされていた。
このような非接触給電装置としては、例えば、次の特許文献1に示されたものが挙げられる。
ところで、この種従来例の非接触給電装置にあっては、更なる給電効率の向上が、大きなテーマとなっている。その一環として、1次側と2次側間に形成される磁束について、磁気抵抗の一層の最小化も、重要なファクターとして把握される。
すなわち、1次側と2次側のコイル間に形成される磁束は、1次側の磁心コア内を通過するものと、1次側から2次側に向けてエアギャップを通過するものと、2次側の磁心コア内を通過するものと、2次側から1次側に向けてエアギャップを通過するものとに、分けられる。
そして、このような磁束形成の妨げとなる磁気抵抗の最小化が、電力損失の低減そして充電効率等の給電効率の向上にとって、重要なファクターとなる。
本発明の非接触給電装置は、このような実情に鑑み、上記従来例の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第1に、磁気抵抗が最小化されると共に、第2に、しかもこれが、簡単容易に実現される非接触給電装置を提案することを、目的とする。
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、次のとおりである。まず、請求項1については次のとおり。
請求項1の非接触給電装置は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次側から2次側に、エアギャップを存し非接触で近接対応位置しつつ電力を供給する。
そして、該1次側および該2次側は、コイルが、渦巻き状に巻回されたフラット構造よりなると共に、該コイルが配設される磁心コアが、フラットな平板状をなす。又、該コイルは、円形や方形の環状をなし、該磁心コアは、より大きな面積の円形や方形をなし、該コイルと該磁心コアは、同心に配置されている。
給電は、2次側の該コイルが1次側の該コイル上で停止される、停止給電方式にて行われる。もって、2次側の該コイルと1次側の該コイル、および2次側の該磁心コアと1次側の該磁心コアとは、上下で対をなす対称構造よりなる。
そして、該コイルの面積を内外に等分する等分線と、該磁心コアの面積を内外に等分する等分線とが、上下で対応位置している。
もって、1次側と2次側間に形成される磁束は、その断面積が齟齬なく対応する。エアギャップを通過する往復の磁束の断面積も、往と復とで広狭の差異なく対応するようになり、磁束の妨げとなる磁気抵抗が最小化される。
これにより、該コイルと該磁心コアについて、全体の磁気抵抗を最小とすべく、相互間で面積を目安とした配置調整が実施されていること、を特徴とする。
請求項2については、次のとおり。請求項2の非接触給電装置では、請求項1において、該1次側は、地面,路面,床面等に定置され、該2次側は、電動車輌,その他の移動体に搭載されていること、を特徴とする。
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
(1)この非接触給電装置では、給電に際し、2次側のコイルが1次側のコイルに対し、エアギャップを存して近接対応位置決めされる。そして給電は、停止給電方式にて行われ、1次側のコイル,磁心コアと、2次側のコイル,磁心コアとは、上下対称構造をなしている。
(2)そして1次側では、コイルが通電されて磁束が形成され、もって磁路が、2次側のコイルとの間に形成される。
(3)このようにして、1次側と2次側間が電磁結合され、もって2次側のコイルに誘導起電力が生成される。
(4)このような電磁誘導の相互誘導作用により、電力が、1次側から2次側へと供給される。
(5)さて、この非接触給電装置では、1次側と2次側のコイル面積の等分線と、磁心コア面積の等分線とが、対応位置せしめられている。
(6)このようにコイルと磁心コア間で、面積を目安とした最適内部配置を採用したことにより、形成される磁束について、磁気抵抗が最小化される。
(7)すなわち、1次側と2次側間に形成される磁束は、その断面積が齟齬なく対応するようになり、もって磁気抵抗が最小化される。
(8)特に、エアギャップを通過する往復の磁束の断面積が、往と復とで広狭の差異なく対応するので、最小の磁気抵抗となる。
(9)そしてこれは、コイルと磁心コアについて、面積の等分線を対応位置させるという、簡単な構成により実現される。
(10)さてそこで、本発明の非接触給電装置は、次の効果を発揮する。
第1に、磁気抵抗が最小化される。本発明の非接触給電装置では、コイル面積の内外等分線と、磁心コア面積の内外等分線とを、対応位置させてなる。
このようなコイルと磁心コアの両部品間の面積を目安とした最適配置により、形成される磁束について、その妨げとなる磁気抵抗が最小化され、前述したこの種従来例に比し大きく削減されるようになる。
従って、その分だけ電力損失が低減され、高出力が確保されるようになり、充電効率等の給電効率が向上する。
第2に、しかもこれは、簡単容易に実現される。本発明の非接触給電装置では、このような磁気抵抗の最小化が、面積を目安とした最適配置により、簡単な構成により実現される。
すなわち、コイル面積の内外等分線と、磁心コア面積の内外等分線とを、対応位置させるという、簡単な設定により、コスト面にも優れつつ、上述した第1の点が容易に実現される。
このように、この種従来例に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。
以下、本発明の非接触給電装置を、図面に示した発明を実施するための最良の形態に基づいて、詳細に説明する。
図1および図2は、本発明を実施するための最良の形態の説明に供する。そして図1は、正面の断面説明図であり、図2の(1)図は、斜視説明図、(2)図は、正面の断面説明図である。
図3,図4,図5は、非接触給電装置の一般的説明に供する。そして図3は、平面説明図、図4の(1)図は、斜視説明図、図4の(2)図は、適用例のブロック図、図5は、適用例の側面説明図である。
まず、図4の(2)図および図5を参照して、非接触給電装置Aについて、一般的に説明する。
非接触給電装置Aは、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次側1から2次側2に、エアギャップ3を存し非接触で近接対応位置しつつ、電力を供給する。
1次側1は、地面4,路面,床面等に定置されており、2次側2は、電動車輌5,その他の移動体に搭載されている。
これに対し、2次側2つまり受電側,ピックアップ側は、図示の電気自動車や電車等の電動車輌5,その他の移動体に搭載されている。この種の移動体としては、例えば、各種交通システム,カートシステム,遊戯施設,工場の搬送システム等も考えられる。又、2次側2は、それらの駆動用の他、非駆動用としても利用可能である。更に、図示のように車載バッテリー7に接続されるのが代表的であるが、直接各種の負荷に接続されることも考えられる。
このような1次側1のコイル8と、2次側2のコイル9とは、給電に際し、例えば5cm〜15cm程度、例えば10cmの僅かな間隙空間であるエアギャップ3を存しつつ、非接触で近接対応位置される。そして給電は、2次側2のコイル9が1次側1のコイル8上で停止される、停止給電方式にて行われる。
停止給電方式の場合、1次側1のコイル8と2次側2のコイル9とは、上下で対をなす対称構造よりなる。
図示例において、2次側2のコイル9は、車載バッテリー7に接続されており、給電により充電されたバッテリー7にて、走行用のモータ10が駆動される。図中11は、交流を直流に変換するコンバータであり、12は、直流を交流に変換するインバータである。
非接触給電装置Aは、一般的にはこのようになっている。
次に、図4の(1)図を参照して、電磁誘導の相互誘導作用等について、説明しておく。この種の非接触給電装置Aにおいて、電磁誘導の相互誘導作用に基づき電力を供給することは、公知公用である。
すなわち給電に際し、近接対応位置する1次側1のコイル8と、2次側2のコイル9との間で、コイル8での磁束形成により、コイル9に誘導起電力を生成させ、もって、コイル8からコイル9へと電力を供給することは、公知公用である。
このように1次側1のコイル8で形成された磁束が、2次側2のコイル9を貫き鎖交することにより、1次側1のコイル8と2次側2のコイル9が電磁結合され、電磁誘導による誘導起電力が生成される。このようにして磁場が形成され、磁界を利用して電力が送受される。
すなわち、コイル8側の磁束の磁気回路と、コイル9側の磁束の磁気回路とは、相互間にも磁束の磁気回路つまり磁路が形成されて、電磁結合される。この電磁結合の度合を表わす結合係数について、その高低,数値は、コイル8,9の自己インダクタンスおよび相互インダクタンスや、エアギャップ3の間隔寸法等によって、変化するが、磁心コア13,14の性能,その他にも影響される。
非接触給電装置Aでは、このような電磁誘導の相互誘導作用に基づき、給電が実施される。
次に、図3,図4,図5を参照して、この非接触給電装置Aの1次側1および2次側2の構造について、説明する。
まず、1次側1について述べる。1次側1のコイル8は、給電回路15を介し電源Pに接続されている。電源Pとしては、数kHz〜60kHz程度、例えば20kHz〜30kHzの高周波インバータが使用される。給電回路15には、共振同調用に組み合わされたインダクタと直列コンデンサが付設されると共に、並列コンデンサも付設されている。
図3に示したように、コイル8は、略平板状で複数回ターン方式のフラット構造をなす。すなわちコイル8は、それぞれ、絶縁されたコイル導線が、同一平面において相互間で並列化され平行位置関係を維持しつつ、円形や方形の渦巻き状に複数回巻回ターンされ、もって、全体的に凹凸のない平坦で肉厚の薄い扁平状のフラット構造をなすと共に、環状,略フランジ状をなしており、中央部に空間が形成されている。
磁心コア13としては、フェライトコアが一般的に用いられ、強磁性体よりなる。磁心コア13は、コイル8,9間のインダクタンスを増し電磁結合を強化すると共に、形成される磁束を誘導,収集,方向付けすべく機能する。磁心コア13は、コイル8より大きな面積よりなり、フラットな平板状そして環状,略フランジ状をなす。コイル8と磁心コア13とは、同心に配置される。
次に2次側2は、上述した1次側1のコイル8,給電回路16,磁心コア13等に対応した、コイル9,給電回路16,磁心コア14等を、備えている。
2次側2の給電回路16は、並列コンデンサが付設されると共に、直流変換後にバッテリー7に接続されるのが代表的である。2次側2のコイル9や磁心コア14の構成や同心配置等については、停止給電方式であることに鑑み、1次側1のコイル8や磁心コア13に準じた対称構造よりなる。
ベースプレート17,18は、背板とも称され、フラットな平板状をなし、例えばアルミプレート等の透磁率の低い金属製よりなり、強度サポート用兼磁気遮蔽用として機能し、内部誘起される渦電流によって漏洩磁束の外部漏出を遮蔽する。
図3中、19はモールド樹脂、20は発泡材である。モールド樹脂19は、例えばシリコン樹脂製よりなり、1次側1や2次側2の樹脂製表面カバーとベースプレート17,18との間において、介在するコイル8,9や磁心コア13,14を被覆固定し、これらの位置決め固定用,機械的強度確保用,放熱用等として用いられている。
発泡材20は、このようなモールド樹脂19中に混入,埋め込まれており、発泡スチロール,その他の発泡プラスチック製よりなり、主に軽量化用として用いられている。
1次側1や2次側2の構造は、このようになっている。
次に、図1,図2等を参照して、この非接触給電装置Aの1次側1および2次側2の内部配置について、説明する。
この1次側1および2次側2では、それぞれのコイル8,9と磁心コア13,14について、全体の磁気抵抗を最小とすべく、相互間で面積を目安とした配置調整が実施されている。具体的には、コイル8,9の面積を内外に等分する等分線bと、磁心コア13,14の面積を内外に等分する等分線aとが、対応位置している。
そして磁心コア13,14については、それぞれ、その全体面積S’を内外に等分に分ける等分線aが、仮想,設定される。すなわち、その外径a3と内径a1とから算出される全体面積S’について、これを内側と外側とに2等分に区画する等分線aが設定されている。この等分線aにより、磁心コア13,14の全体面積S’は、面積の等しい内側面積S1と外側面積S2とに、等分区画される。図中a2は、等分線aの径つまり中心径である。
コイル8,9についてもこれに準じ、その全体面積を内側と外側とに2等分に区画する等分線bが、仮想,設定される。
そして、このような磁心コア13,14の等分線aと、コイル8,9の等分線bとが、上下で対応位置せしめられている。ここで対応位置とは、両者が完全一致している場合のみならず、両者が内外に若干ズレている場合も包含し,許容する。
1次側1や2次側2の内部配置は、このようになっている。
本発明の非接触給電装置Aは、以上説明したように構成されている。そこで、以下のようになる。
(1)この非接触給電装置Aでは、給電に際し、電動車輌5等の移動体に搭載された受電側,2次側2が、地面4,路面,床面等に定置された給電側,1次側1に対し、エアギャップ3を存し非接触で、近接対応位置せしめられる。すなわち、2次側2のコイル9が、1次側1のコイル8上にて、停止位置決め等される(図4,図5を参照)。
このように給電は、停止給電方式にて行われ、1次側1のコイル8,磁心コア13と、2次側2のコイル9,磁心コア14とは、上下対称構造なしている。
もって、この励磁電流としての高周波交流の通電により、1次側1のコイル8に磁束が形成され、磁束の磁路が、1次側1のコイル8と2次側2のコイル9との間に、形成される(図2の(2)図を参照)。
これに対し、この非接触給電装置Aにあっては、エアギャップ3を通過する往復の磁束は、両コイル8,9の等分線bを中心として形成されると共に、磁気面積部として機能する両磁心コア13,14の等分線aを中心とする。そこで、形成される磁束の断面積は、往と復とで広狭の差異が存することなく、往復の磁束は一致する等、対応した断面積となる。従って、最小の磁気抵抗となる。
本発明の作用等は、このようになっている。
まず、対象は図1,図2に示した非接触給電装置Aである。使用記号については、次のとおり。
・S :磁心コア(フェライトコア)13,14の面積(2a2π×フェライト厚)
・S1: 同 上 の内側面積
・S2: 同 上 の外側面積
・a1: 同 上 の内半径
・a2: 同 上 の中心半径(等分線aの半径)
・a3: 同 上 の外半径
・l : 同 上 の径(a3−a1)
・Rt:1次側1の磁心コア13内の磁気抵抗
・Rgin:1次側1から2次側2に向かうエアギャップ3中の磁気抵抗
・Rp:2次側2の磁心コア14内の磁気抵抗
・Rgout:2次側2から1次側1に向かうエアギャップ3中の磁気抵抗
・R :全体の磁気抵抗
・μo:真空の透磁率(空気中もほぼ同一)
・μr:磁心コア13,14の比透磁率
・g :エアギャップ3の寸法
すなわち下記の数式1中、全体の磁気抵抗Rを示す式(1)に、式(2),式(3),式(4)を代入すると、式(5)が得られる。この式(5)において、μrはμoに対して十分に大きく、その第1項および第3項の値が、第2項および第4項の値に比べて極めて小さいので、式(6)とできる。
つまり、全体の磁気抵抗Rは、エアギャップ3(g)と、磁心コア13,14の内側面積S1と、磁心コア13,14の外側面積S2とに、支配されることになる。
コイル8,9間における給電効率は、全体の磁気抵抗Rが最小の時に、最大となるので、式(7)の分子の右辺が、最小になれば良い。ここでは、磁気抵抗Rを最小とする中心半径a2を求めることが目的であるため、中心半径a2を未知数とすると、下記の数式2中、式(8−1)のように置き換えられ、もって式(8−2)となる。
そして、式(9)で置き換えていたので、これを元に戻すと、式(12−2)が得られる。
従って結論として、S1=S2となった。
従って、磁心コア13,14の面積Sを内外に等分する等分線aと、コイル8,9の面積を内外に等分する等分線bとを、対応位置させることにより、全体の磁気抵抗Rを最小化可能となる。
実施例については、以上のとおり。
2 2次側
3 エアギャップ
4 地面
5 電動車輌
6 給電スタンド
7 バッテリー
8 コイル
9 コイル
10 モータ
11 コンバータ
12 インバータ
13 磁心コア
14 磁心コア
15 給電回路
16 給電回路
17 ベースプレート
18 ベースプレート
19 モールド樹脂
20 発泡材
A 非接触給電装置
P 電源
S’全体面積
S1内側面積
S2外側面積
a 等分線
a1内径
a2中心径
a3外径
b 等分線
g エアギャップ寸法
Claims (2)
- 電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次側から2次側に、エアギャップを存し非接触で近接対応位置しつつ電力を供給する、非接触給電装置において、
該1次側および該2次側は、コイルが、渦巻き状に巻回されたフラット構造よりなると共に、該コイルが配設される磁心コアが、フラットな平板状をなし、
該コイルは、円形や方形の環状をなし、該磁心コアは、より大きな面積の円形や方形をなし、該コイルと該磁心コアは、同心に配置されており、
給電は、2次側の該コイルが1次側の該コイル上で停止される停止給電方式にて行われ、もって、2次側の該コイルと1次側の該コイル、および2次側の該磁心コアと1次側の該磁心コアとは、上下で対をなす対称構造よりなり、
該コイルの面積を内外に等分する等分線と、該磁心コアの面積を内外に等分する等分線とが、上下で対応位置しており、
もって、1次側と2次側間に形成される磁束は、その断面積が齟齬なく対応し、エアギャップを通過する往復の磁束の断面積も、往と復とで広狭の差異なく対応するようになり、磁束の妨げとなる磁気抵抗が最小化されることにより、
該コイルと該磁心コアについて、全体の磁気抵抗を最小とすべく、相互間で面積を目安とした配置調整が実施されていること、を特徴とする非接触給電装置。 - 請求項1に記載した非接触給電装置において、該1次側は、地面,路面,床面等に定置され、該2次側は、電動車輌,その他の移動体に搭載されていること、を特徴とする非接触給電装置。
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