JP5496718B2 - 非接触給電装置のコイル位置決め保持装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気自動車やハイブリッド車両などに搭載されるバッテリを充電するための非接触給電装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車両に搭載されるバッテリを充電する方法の一つとして、非接触給電装置が知られている。

この非接触給電装置は、電磁誘導の相互誘電作用を利用して、地上（充電スタンド等）に設けた１次側（給電側）の給電側（送電側）電磁コイルから、車両側に設けた２次側（受電側）の受電側電磁コイルへ、非接触で電力を供給する。このような非接触給電装置の構成例は、例えば特許文献１〜４に記載されている。

特表平０８−５０２６４０号公報 特開平０８−２６５９９２号公報 特開２００８−２８８８８９号公報 特開２０００−１５２５１２号公報

従来の非接触給電装置においては、特許文献１〜４にも記載されているように、１次側の給電側電磁コイルと、２次側の受電側電磁コイルと、を位置合わせして所定間隔で対面させることが充電効率等の関係から必要であり、このために、位置合わせの方法などについて種々提案されている。

すなわち、地上側に固定的に設置されている１次側電磁コイルに対して、車両側に搭載されている２次側電磁コイルを、所定に位置合わせする際に、車両の運転者の技量に依らずに、また、運転者や別の者が、伸縮自在なケーブルなどに接続された１次側電磁コイル（或いは２次側電磁コイル）をマニュアル操作により所定位置まで持ち来たすような面倒な作業を不要とするような技術が提案されている。

特許文献１〜３に記載されているものは、２次側電磁コイルの位置情報（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の位置情報など）を取得して、１次側電磁コイルと２次側電磁コイルとの相対位置が所定範囲となるように、車両運転者に情報を提示したり、或いは１次側電磁コイルや２次側電磁コイルを駆動機構等により自動的に移動させるようにしている。

また、特許文献４に記載されているものは、水平方向（Ｘ，Ｙ方向）の位置合わせは、運転者による車両の位置合わせにより行なわせるが、高さ方向（Ｚ方向）の位置合わせ（１次側電磁コイルと２次側電磁コイルの隙間合わせ）は、自動で上下動可能な駆動機構により１次側電磁コイルを移動させて行わせるようになっている。

しかしながら、従来のものは、２次側電磁コイルの位置情報（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の位置情報など）の取得するための複雑で高価な装置が必要であったり、位置合わせのために１次側電磁コイル（或いは２次側電磁コイル）を移動させるための複雑で高価な装置（リニアガイド装置やボールスクリュウ機構などの直動機構やその駆動源（電動モータ、油圧や空気圧などを利用した流体圧アクチュエータなど））が必要であり、構成が複雑化して、高コスト化するといった実情がある。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、地上側に配設される１次側の給電側電磁コイルと、車両側に搭載される２次側の受電側電磁コイルと、を、迅速かつ良好に位置合わせしつつ所定間隔で接離可能に対面保持させることができる非接触給電装置のコイル位置決め保持装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る非接触給電装置のコイル位置決め保持装置は、
地上側に配設される給電側電磁コイルから、車両側に配設される受電側電磁コイルへ非接触で電力を供給して車載のバッテリを充電するための非接触給電装置のコイル位置決め保持装置であって、
給電側電磁コイル或いは受電側電磁コイルの少なくとも一方に略一体的に取り付けられる電磁石と、当該電磁石に対応して他方に取り付けられる磁性体と、を介して発生される電磁吸着力の作用によって、給電側電磁コイルと、受電側電磁コイルと、を、所定の位置決め位置へ案内すると共に所定間隔で対面保持させる一方、
前記磁性体は、電磁石に対応する所定領域の周囲が非磁性体により覆われて配設されていると共に、対応する電磁石の先端を受け入れる凹部であって底部から開口端に向けて拡張された凹部を有することを特徴とする。

本発明において、前記電磁石の突出量によって前記所定間隔が調整されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、地上側に配設される１次側の給電側電磁コイルと、車両側に搭載される２次側の受電側電磁コイルと、を、迅速かつ良好に位置合わせしつつ所定間隔で接離可能に対面保持させることができる非接触給電装置のコイル位置決め保持装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る非接触給電装置の給電側電磁コイル（１次側電磁コイル）と受電側電磁コイル（２次側電磁コイル）の位置決め保持装置の全体的な概略構成を示す全体構成図である。 同上実施の形態に係る２次側電磁コイル及びフレーム要素を車両外側から車両側面に直交する方向に沿って見た側面図である。 同上実施の形態において、電磁吸着力により、１次側電磁コイルと２次側電磁コイルを位置決め位置まで案内して両者を所定ギャップで対面保持する様子を拡大して説明した上面図である。 同上実施の形態に係る１次側電磁コイル及びフレーム要素の２次側電磁コイルに対する相対移動を説明するための上面図である。 同上実施の形態に係る１次側電磁コイルと２次側電磁コイルとが所定ギャップＸで対面保持された状態を示す上面図である。 同上実施の形態に係る、アーム機構を介して１次側電磁コイル及びフレーム要素を移動可能支持するハンドリング装置の車両前方から見た側面図である。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本実施の形態に係る非接触給電装置においては、図１に示すように、例えばバス等の車両１の側面に２次側の受電側電磁コイル（２次側電磁コイル）２が搭載されている。

この２次側電磁コイル２の周囲には、車両１の側面と略直交する方向から見た図である図２に示すように、非磁性体の材料（例えば、アルミニウム、非磁性のステンレス、プラスチック等の樹脂系材料など）によって形成されるフレーム要素１１Ａが設けられている。

フレーム要素１１Ａには、一対の位置決め用磁性体３が、図２に示すように、２次側電磁コイル２を挟んで対向して設けられている。位置決め用磁性体３は、図１、図３〜図５に示すように、凹形状に（或いは凹部を有するように）形成されており、これがフレーム要素１１Ａに例えば埋め込まれ、図３に拡大して示したように、フレーム要素１１Ａの表面から位置決め用磁性体３の底部３Ｂが所定量だけ退避するような構成となっている。

また、図２に示したように、フレーム要素１１Ａには、一対のギャップ調整用磁性体５が、２次側電磁コイル２を挟んで対向して設けられている。一対のギャップ調整用磁性体５は、一対の位置決め用磁性体３間を結ぶ直線と略直交する直線上に配置されている。

この一対のギャップ調整用磁性体５は、図４や図５に示すように、フレーム要素１１Ａの表面と略面一となるように配設されている。

本実施の形態に係る地上側（充電スタンド等）に設けられた１次側の給電側電磁コイル（１次側電磁コイル）７は、図１や図４に示すように、２次側電磁コイル２と対面可能にアーム機構２０により支持されている。なお、充電の際には、１次側電磁コイル７と、２次側電磁コイル２と、は、図２平面に略直交する方向から見たときに位置が略一致して重畳されるようになっている。

アーム機構２０は、アーム部２０Ａ、関節部２０Ｂ、アーム部２０Ｃなどを含んで構成されており、図４や図６に示すように、アーム部２０Ａが、非接触給電装置の電力供給システム等が備えられるハンドリング装置８に対してＺ軸（高さ方向）廻りに回動自在に支持され、このアーム部２０Ａには関節部２０Ｂを介してＺ軸廻りに回動自在にアーム部２０Ｃが取り付けられている。

そして、このアーム部２０Ｃの先端側に、Ｚ軸廻りに回動自在に、更には図６平面内において揺動可能に、１次側電磁コイル７が取り付けられている。
すなわち、１次側電磁コイル７は、地上等に設置されるハンドリング装置８に対して、少なくとも図４中矢印Ａの方向（停車している車両１の側面（２次側電磁コイル）に略直交する方向）に相対移動可能に支持されている。

１次側電磁コイル７の周囲には、２次側電磁コイル２と同様に、非磁性体の材料（例えば、アルミニウム、非磁性のステンレス、プラスチック等の樹脂系材料など）によって形成されるフレーム要素１１Ｂが設けられている。

このフレーム要素１１Ｂには、フレーム要素１１Ａに設けられている一対の位置決め用磁性体３に対向して配設され、当該位置決め用磁性体３の凹形状に所定間隙を持って収容可能なサイズの一対の位置決め用電磁石４が設けられている。この位置決め用電磁石４は、図４や図５に示すように、フレーム要素１１Ｂの表面１１ｂから２次側電磁コイル２方向に所定量突出するように構成されている。

また、フレーム要素１１Ｂには、フレーム要素１１Ａに設けられている一対のギャップ調整用磁性体５に対向して配設される一対のギャップ調整用電磁石６が設けられている。この一対のギャップ調整用電磁石６は、図４や図５に示すように、フレーム要素１１Ｂの表面１１ｂから２次側電磁コイル２方向に所定量突出するように構成されている。

そして、この一対のギャップ調整用電磁石６は、対応するギャップ調整用磁性体５にそれぞれ当接可能に配設されており、当接した際には、１次側電磁コイル７と、２次側電磁コイル２と、の間隙（ギャップ）が、良好な充電効率を達成できる距離Ｘ（図５参照）となるように、その突出量が設定されている。

このようなシステムにおいて、車両１に搭載されているバッテリ（図示せず）を充電する場合の給電操作の一例について説明する。

（Ｓｔｅｐ１）
まず、運転者は車両１を所定位置に停車させる。

（Ｓｔｅｐ２）
ハンドリング装置８は、アーム機構２０を駆動して１次側電磁コイル７を図４中矢印Ａの方向に移動させる。人がマニュアル操作で、アーム機構２０により支持されている１次側電磁コイル７を図４中矢印Ａの方向に移動させることも可能である。

（Ｓｔｅｐ３）
位置決め用電磁石４及びギャップ調整用電磁石６に通電する。すると、位置決め用電磁石４及びギャップ調整用電磁石６と、対面する位置決め用磁性体３及びギャップ調整用磁性体５と、の間に磁気吸着力が発生するため、この磁気吸着力によって、１次側電磁コイル７と略一体のフレーム要素１１Ｂが、図４中矢印Ａの方向に移動され、図５に示したように、一対の位置決め用電磁石４が位置決め用磁性体３に吸着保持されると共に、一対のギャップ調整用電磁石６が一対のギャップ調整用磁性体５に吸着保持される。
なお、図３に示したように、位置決め用電磁石４と、対面する位置決め用磁性体３と、の間に磁気吸着力が作用すると、位置決め用磁性体３に設けられている凹部の傾斜面３Ａを介して、底部３Ｂまで良好に案内されて相互に吸着保持される。

（Ｓｔｅｐ４）
図５に示したように、一対の位置決め用電磁石４が位置決め用磁性体３に吸着保持されると共に、一対のギャップ調整用電磁石６が一対のギャップ調整用磁性体５に吸着保持されると、１次側電磁コイル７と、２次側電磁コイル２と、の間で、図２平面内における位置決めが自動的になされると共に、１次側電磁コイル７と、２次側電磁コイル２と、の間隙（ギャップ）が良好な充電効率を達成できる距離（ギャップ）Ｘ（図５参照）にセットされる。

（Ｓｔｅｐ５）
この状態で、１次側電磁コイル７へ給電用電流を流すことで、電磁誘導の相互誘電作用を利用し、２次側電磁コイル２を介して車両１に搭載されているバッテリ（図示せず）に効率良く給電する（バッテリを充電する）。

（Ｓｔｅｐ５）
給電（充電）が終了したら、１次側電磁コイル７への給電を停止すると共に、位置決め用電磁石４及びギャップ調整用電磁石６への通電を停止する。

これにより、一対の位置決め用電磁石４と位置決め用磁性体３との間の磁気吸着力が消失すると共に、一対のギャップ調整用電磁石６と一対のギャップ調整用磁性体５との間の磁気吸着力が消失するため、１次側電磁コイル７と、２次側電磁コイル２と、を簡単に解放して両者を離間させることが可能となる。

このような係合が解かれた状態とした後は、アーム機構２０に作用される復元力（例えばトーションバーやスプリング等の弾性体の復元力などを利用することができる）などを利用して、或いはマニュアル操作等によって、フレーム要素１１Ｂ及び１次側電磁コイル７を収容位置（原位置）へ移動させて、給電処理を終了する。

このように、本実施の形態に係る充電装置によれば、
１次側電磁コイル７の周囲に設けた位置決め用電磁石４とギャップ調整用電磁石６とを設ける一方で、
充電の際に１次側電磁コイル７と対面配置される２次側電磁コイル２の周囲に、位置決め用電磁石４とギャップ調整用電磁石６の位置にそれぞれ対応して位置決め用磁性体３とギャップ調整用磁性体５とを設け、
１次側電磁コイル７と、２次側電磁コイル２と、がある程度近づいたところで、位置決め用電磁石４及びギャップ調整用電磁石６へ通電して、対応する位置決め用磁性体３及びギャップ調整用磁性体５との間で磁気吸着力を発生させ、この電磁吸着力を利用して、位置決め用電磁石４とギャップ調整用電磁石６とを介して、１次側電磁コイル７と、２次側電磁コイル２と、を所定の位置決め位置まで案内しつつ接近させ、同時にギャップ調整用電磁石６とギャップ調整用磁性体５とにより１次側電磁コイル７と、２次側電磁コイル２と、の間隙（ギャップ）を高い給電効率を維持できる距離に対面保持できるようにしたので、充電の際に、車両１を厳密な位置に停車させなくても、比較的高精度に所定位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の所定位置決め位置）に、１次側電磁コイル７と、２次側電磁コイル２と、をセットすることができる。

また、本実施の形態に係る非接触給電装置は、従来のように駆動機構等によって１次側電磁コイルと２次側電磁コイル２とをあまり厳密に位置合わせしなくても、１次側電磁コイル７と２次側電磁コイル２とをある程度近づけたところで、位置決め用電磁石４とギャップ調整用電磁石６への通電を開始して発生する電磁吸着力により、自動的に、１次側電磁コイル７と２次側電磁コイル２とを位置決め位置まで案内（移動）しつつ位置決め位置に吸着保持させることができる構成であるので、従来のような２次側電磁コイルの位置情報（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の位置情報など）を取得するための複雑で高価な装置や、位置合わせのために１次側電磁コイル（或いは２次側電磁コイル）を移動させるための複雑で大型の高価な装置（リニアガイド装置やボールスクリュウ機構などの直動機構やその駆動源（電動モータ、油圧や空気圧などを利用した流体圧アクチュエータなど））を不要とすることができるため、構成の簡略化、装置の小型軽量化、低コスト化等を図ることができる。

そして、本実施の形態に係る非接触給電装置は、通電停止により簡単に電磁吸着力を消失させることができるため、簡単に１次側電磁コイル７と２次側電磁コイル２との接合状態を解放して両者を離間させることが可能である。

このように、本実施の形態に係る非接触給電装置によれば、簡単かつ安価な構成としながら、地上側に配設される１次側電磁コイル７と、車両側に搭載される２次側電磁コイル２と、を、迅速かつ良好に位置合わせしつつ所定間隔で接離可能に対面保持させることができる。

ところで、本実施の形態では、符号４（位置決め用電磁石）と符号６（ギャップ用電磁石）を電磁石として、符号３（位置決め用磁性体）と符号５（磁性体）を磁性体として説明したが、これに限定されるものではなく、符号４（或いは符号３）と符号６（或いは符号５）を磁性体とし、符号３（或いは符号４）と符号５（或いは符号６）を電磁石として構成することができる。

また、本実施の形態では、２次側電磁コイル２を車両１の側面に取り付けた場合について例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、車両１の前面、後面、すなわち１次側電磁コイル７と２次側電磁コイル２との対向面が略垂直な方向に沿った面に取り付けることができる他、車両１の下面や上面に配設する構成とすることも可能である。

本実施の形態では、一対の位置決め用電磁石４と、一対のギャップ調整用電磁石６と、を設け、これらに対応して、一対の位置決め用磁性体３と、一対のギャップ調整用磁性体５と、を設けた場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、所定に位置決め可能で、かつギャップ（距離Ｘ）を所定に維持可能であれば、電磁石や磁性体の数や配置は適宜に変更し得るものである。

また、位置決め用電磁石４の突出長さ（突出量）を管理することで、位置決め用電磁石４にギャップ調整用電磁石６の有するギャップ（距離Ｘ）を保持するための機能を兼ねさせることも可能である。

更に、位置決め用電磁石４或いはギャップ調整用電磁石６の一方に通電せず或いは電磁石としない構成として、位置決め用電磁石４或いはギャップ調整用電磁石６の一方には磁気吸着力を生じさせないような構成とすることもできる。

以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１ 車両
２ 受電側電磁コイル（２次側電磁コイル）
３ 位置決め用磁性体
４ 位置決め用電磁石
５ 磁性体
６ ギャップ用電磁石
７ 給電側電磁コイル（１次側電磁コイル）
８ ハンドリング装置
１１Ａ フレーム要素
１１Ｂ フレーム要素
２０ アーム機構

Claims (2)

1. 地上側に配設される給電側電磁コイルから、車両側に配設される受電側電磁コイルへ非接触で電力を供給して車載のバッテリを充電するための非接触給電装置のコイル位置決め保持装置であって、
   給電側電磁コイル或いは受電側電磁コイルの少なくとも一方に略一体的に取り付けられる電磁石と、当該電磁石に対応して他方に取り付けられる磁性体と、を介して発生される電磁吸着力の作用によって、給電側電磁コイルと、受電側電磁コイルと、を、所定の位置決め位置へ案内すると共に所定間隔で対面保持させる一方、
   前記磁性体は、電磁石に対応する所定領域の周囲が非磁性体により覆われて配設されていると共に、対応する電磁石の先端を受け入れる凹部であって底部から開口端に向けて拡張された凹部を有することを特徴とする非接触給電装置のコイル位置決め保持装置。
2. 前記電磁石の突出量によって前記所定間隔が調整されることを特徴とする請求項１または請求項１に記載の非接触給電装置のコイル位置決め保持装置。
   

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