JP5751647B2 - 非接触給電装置 - Google Patents
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Description
図13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2次コイル102とを備えており、2次コイル102は、車体の床面の外側に設置されている。
一方、給電ステーション側は、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は地上に設置されている。
運転者は、2次コイル102が1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。
また、車体の床面は、走行に支障が出ないように、ある程度地面から離す必要があるため、車両用の非接触給電装置には、1次コイル202と2次コイル102とのギャップ長が大きくても十分給電できる能力が求められる。
また、車両100に搭載する2次コイル102には、小型・軽量化が求められる。
これまで、こうした要請に応える非接触給電装置の開発が鋭意進められている。
この装置は、1次コイル22及び2次コイル32の背面に磁心コア21及び磁心コア31を有しており、磁束が磁心コア21、31の裏側にまで漏洩しないため、1次コイル22及び2次コイル32間の結合係数が大きく、強力な電磁結合が得られる。この場合の磁束を図14(a)に点線Dで示している。
しかし、1次コイル22と2次コイル32との位置がずれると、結合係数は急激に低下する。これを避けるためには、磁心コア21及び磁心コア31の面積を大きくし、1次コイル22と2次コイル32との位置ずれが発生しても磁束Dを維持できるように設計する必要がある。
そのため、下記特許文献2には、コア部材の低コストを図るための非接触給電装置が記載されている。
この装置は、図15(a)、図15(b)に示すように、フェライトからなる長方形の板状ブロック212を多数組み合わせて板状コア213を形成し、この板状コア213の片面に扁平に巻いたコイル222を配置している。図15(a)、図15(b)では、板状コア213のコイル222の外側に位置する部分、及び、コイル222の内側に位置する部分に板状ブロック212を二枚重ね、コイル222が位置する部分の板状ブロック212を1枚とすることにより、大型のE型コアを構成している。
また、特許文献2では、図16に示すように、板状コア213の板状ブロック212の配列を1列ごとに間引いて、板状コア213の軽量化を図ることも提案されている。
このコイル幅Wは、1次コイル22及び2次コイル32の間の電磁結合を十分に得るために、ギャップ長g以上に設定する必要がある。
また、1次コイル22と2次コイル32との位置ずれが発生した場合でも、必要な電力の伝送を可能にするためには、1次側磁心コア21及び2次側磁心コア31の磁極部分が上下に重なる面積を十分確保する必要がある。
そのため、磁心コアの片側にリング状の扁平コイルを配置する方式では、装置の形状、特に幅方向の形状が大きくならざるを得ない。
また、この方式において、磁心コアの軽量化を図るために磁心コアの一部を間引いた場合は、特許文献2に記載されているように、給電可能な電力が低下する。
このように、コアの周りにコイルを巻回する構造では、図3に示すように、コイルの占める幅がWであり、コイルの占める幅が2Wである従来の方式(図14(a)に示す磁心コアの片側にリング状の扁平コイルを配置する方式)に比べて、極めて小型化できる。また、そのコアの製作は容易であり、低コストで製造できる。
導電板は、車体の鉄板などに磁束が漏洩して、鉄板が加熱されるのを防止する。また、導電板は、1次側コイル及び2次側コイル間の結合係数を高める効果もある。
コアの外部に面する磁極面を導電板で覆うことにより、外部への磁界の漏洩を効果的に防止することができる。
また、本発明の非接触給電装置では、前記導電板を、アルミニュームの板等を用いて構成する。
また、本発明の非接触給電装置は、車両の給電に対して好適である。
また、コアにコイルを巻回する方式を採っているため、装置の小型化を図ることができる。
本発明の第1の実施形態に係る非接触給電装置は、1次側コイル及び2次側コイルが、共に、図1(a−1)の平面図、図1(a−2)の側面図に示すように、フェライトで成形された直方体形状の複数(4枚)の板状コア41と、4枚の板状コア41を取り囲むようにリッツ線を巻いて構成された巻回コイル42とを備えている。4枚の板状コア41は、1平面上に等しい間隔を空けて並列されており、巻回コイル42は、各板状コア41の両端が露出するように、板状コア41の長手方向と直交する方向に巻回されている。
図1(b−1)、図1(b−2)は、比較のために記載したコイルであり、このコイルは、フェライトの一枚板からなる平板コア43と、巻回コイル44とを備えている。平板コア43は、4枚の板状コア41を合わせた面積を有しており、それを示すために、平板コア43中に板状コア41の大きさを点線で表示している。
図2は、巻回コイル42、44を取り除いた板状コア41及び平板コア43を示している。
巻回コイル42、52は、板状コア41、51に巻回されているため、板状コア41、51に占める巻回コイル42、52の幅はWとなる。このコイル幅Wは、1次側コイル40及び2次側コイル50の間の電磁結合を十分に得るために、ギャップ長g以上に設定する必要があるが、従来の磁心コアの片側にリング状の扁平コイルを配置する方式(図14(a))に比べて、コイル幅の占める面積が小さくて済み、小型化する上で有利である。
このとき、板状コア41及び板状コア51から放出された磁束の一部は、外部にも漏れ出る。この漏洩磁束が車の床面などを構成する鉄板を通過すると、鉄板が熱を帯びる。アルミニューム板60は、こうした事態を防ぐために配置されている。この非接触給電装置における磁束の流れを、図3に点線で示している。
また、アルミニューム板60が外部に向かう磁束を抑制するため、1次側コイル40と2次側コイル50との間を循環する磁束が増加し、結合係数が高まる。
複数の板状コア41の各々は、それぞれの周囲から磁力線を発するため、板状コア41の間に間隙があっても、それによって磁力線の発生分布は途切れない。この複数の板状コア41による磁力線の発生分布は、平板コア43から発せられる磁力線の分布と略同等である。そのため、間隔を空けて並列した複数の板状コア41は、面積が拡大した平板コア43と見ることができる。
即ち、図2に示すように、面積が(a×b)の平板コア43と同じ量のコア素材を使用して、コア面積を(A×b)に拡大することができる。
また、一枚板の平板コア43を作成するのに比べて、板状コア41の作成は極めて容易であり、製造コストを大幅に削減することができる。
換言すれば、位置ずれへの耐性を備えたコア面積を、少ない量のコア素材で構成することができるため、装置の軽量化が可能になる。
ここでは、図6(a)の板状コアを、図6(b)のコアの3/5の量で、同じ面積(240mm×250mm)を占めるように配列している。
測定は、1次側コイル及び2次側コイルを図6(a)または図6(b)の形状に設定し、1次側コイルと2次側コイルとをx方向にずらし、ずれた距離x(mm)と、交流電源電圧(VAC)、給電電力(POUT)及び給電効率ηCの関係を測っている。
図6(c)は、測定結果を示しており、横軸にずれた距離x(mm)を表し、縦軸に交流電源電圧(VAC)、給電電力(POUT)及び給電効率ηCの各値を表している。図中、図6(a)のコイルの特性を実線で示し、図6(b)のコイルの特性を点線で示している。
図6(c)から、図6(a)のコイルは、コア材の量を3/5に減らしているにも関わらず、給電特性や位置ずれ特性が、図6(b)のコイルと殆ど変わらないことが分かる。
そのため、図6(a)のように板状コア間に隙間を設ける構成は、コイルの軽量化及び低コスト化を図る上で有利である。
また、コア素材は、フェライト以外の磁性体材料、例えば、ダストコアや珪素鋼板など交流損失の少ない強磁性体を用いて形成しても良く、巻回コイルは、リッツ線以外の線で構成しても良い。また、磁界漏洩防止用には、アルミニューム板以外の導電板を用いても良い。
また、ここで示した板状コアの数は、例示であり、任意に設定することができる。
また、板状コア相互の間隔は0より大きく設定することが好ましいが、この間隔を0にしても良い。
また、ここでは、電気自動車への給電について説明したが、本発明は、工場内搬送車や移動ロボットなどの移動体に対する給電にも利用できる。
本発明の第2の実施形態に係る非接触給電装置は、1次側コイル及び2次側コイルを、図9(a)の平面図、図9(b)の側面図に示すように、各板状コア71のそれぞれの周りに個別に巻回した巻回コイル72で構成し、巻回コイル72を巻回した各板状コア71を平面上に等しい間隔を空けて配列している。
また、この場合、1次側コイル70の巻回コイル72の内、2次側コイル80の巻回コイル82に対向する巻回コイル72だけに対して選択的に通電するようにすれば、非接触給電装置の消費電力を節約でき、稼動の効率化を図ることができる。
また、第1の実施形態では、複数個の板状コアを巻回コイルで取り囲むように巻回する場合を示し、第2の実施形態では、複数個の板状コアのそれぞれを個別に巻回コイルで巻回する場合を示したが、1次側コイル及び2次側コイルの一方を第1の実施形態の方式で構成し、他方を第2の実施形態の方式で構成することも可能である。
41 板状コア
42 巻回コイル
43 平板コア
50 2次側コイル
51 板状コア
52 巻回コイル
60 導電板
61 車両
62 導電板
70 1次側コイル
71 板状コア
72 巻回コイル
80 2次側コイル
81 板状コア
82 巻回コイル
Claims (7)
- 1次側コアの周りに巻回された1次側コイルと、2次側コアの周りに巻回された2次側コイルと、を備え、前記1次側コイルと前記2次側コイルとが対向するように配置された非接触給電装置であって、
前記1次側コイル及び2次側コイルは複数個のコアに巻回され、前記1次側コイル及び2次側コイルに巻回された前記複数個のコアのそれぞれが、同一形状をした板状の直方体から成り、前記複数個のコアは、前記板状の直方体の長辺側の側面同士が間隔を空けずに対向するように平面上に並行に配列され、
前記1次側コイル及び2次側コイルが、配列された複数の前記直方体を取り囲むように、前記長辺と直交する方向に巻回されていることを特徴とする非接触給電装置。 - 請求項1に記載の非接触給電装置であって、前記1次側コイルの前記2次側コイルに対向する側の反対側、及び、前記2次側コイルの前記1次側コイルに対向する側の反対側のそれぞれに、外部への磁界の漏洩を防止する導電板が配置されていることを特徴とする非接触給電装置。
- 請求項2に記載の非接触給電装置であって、前記導電板が、前記1次側コア及び2次側コアの対向する磁極面の反対側の磁極面に密着して配置され、前記反対側の磁極面からの磁界の漏洩を防いでいることを特徴とする非接触給電装置。
- 請求項2または3に記載の非接触給電装置であって、前記導電板がアルミニュームの板から成ることを特徴とする非接触給電装置。
- 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、前記コアがフェライトまたはダストコアから成り、前記1次側コイル及び2次側コイルがリッツ線を巻回して成ることを特徴とする非接触給電装置。
- 請求項1から5のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記一次側コイルが地上の給電ステーションに設置され、前記二次側コイルが、前記給電ステーションから給電を受ける移動体に設置されていることを特徴とする非接触給電装置。
- 請求項6に記載の非接触給電装置であって、前記移動体が車両であることを特徴とする非接触給電装置。
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