JP5805734B2 - 複合ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、電気エネルギーを輸送する電源線（強電線）と電気通信により情報を伝送する信号線（弱電線）とを備える複合ケーブルに関し、特に、電気自動車のバッテリーを充電するための給電用ケーブルに好適な複合ケーブルに関する。

近年、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）の充電方法の一つとして、コイルを用いた電磁誘導型の非接触給電システムの実用化が進んでいる。非接触給電システムは、地上に設置される給電装置と、電気自動車に搭載される受電装置とを備える。給電装置に設けられる給電側コイル（一次コイル）と、受電側装置に設けられる受電側コイル（二次コイル）を対向して配置し、給電側コイルと受電側コイルを磁気的に結合させることにより、非接触で電力を供給することができる。

給電装置としては、例えば、給電側コイルを内蔵した給電カプラを利用したものがある。給電カプラは、地上に設置された電力供給装置に給電用ケーブルを介して接続され、受電装置のカプラ挿入口に差し込んで充電を行う。一般に、給電カプラは、受電装置との間で充電条件の設定に必要な情報等の送受信を行う通信部を有する。

給電カプラと電力供給装置を接続する給電用ケーブルには、電力伝送用の電源線と信号伝送用の信号線を有する複合ケーブルが用いられる。複合ケーブルを用いることにより、電力の供給と、信号の送受信を１本のケーブルで行うことができる。

複合ケーブルには、小型（細径）であること、電源線の交流抵抗が低いこと、信号線にノイズが発生しないことが要求される。しかし、給電用ケーブルにおいては、電源線に高周波の大電流が流れるため、電源線に近接して配置される信号線には電磁誘導ノイズが発生する。
この問題を解決すべく、偶数本の電源線を、電流の流れる方向が逆方向となるもの同士が隣接するようにケーブル中心から等距離、すなわち同心円状に配置し、電源線の内側に信号線を配置した複合ケーブルが提案されている（例えば特許文献１、図６（ａ）参照）。特許文献１に記載の複合ケーブルによれば、信号線に生じる誘導起電力が相殺されるので、電磁誘導ノイズを低減することができる。

特開２００１−１６０３２２号公報

特許文献１に記載の複合ケーブルのように、信号線の外周に電源線を配置する場合、大電流を流すのに必要な導体総断面積を確保しつつ、隣接する電源線同士を整然と配列することが要求される。しかしながら、信号線の外径と電源線の外径によっては、このような要求を満たすことができなくなる。
すなわち、電源線の外径を大きくして、電源線の本数を少なく設計した場合（例えば特許文献１の図６（ａ）では４本）、電源線間の隙間が大きくなり、電源線間の配列がばらつく虞がある。また、電源線の外径が大きいため、複合ケーブルの外径も大きくなる。一方、電源線の外径を小さくして、電源線の本数を多く設計した場合、信号線の外周にすべての電源線を整然と配列することが困難となる。

このように、信号線の外周に電源線を整然と配列できない場合、高周波領域での交流抵抗が増大し、信号線に生じる電磁誘導ノイズも増大する。また、複合ケーブルにおいて、信号線の周囲が遮へいされていない場合は、電源線との間の静電容量（浮遊容量）によって信号線に少なからず静電誘導ノイズが生じると考えられる。

本発明の目的は、高周波領域における電源線の交流抵抗を低減できるとともに、信号線におけるノイズを低減できる小型（細径）の複合ケーブルを提供することである。

本発明に係る複合ケーブルは、複数本の信号線が撚り合わされてなる信号線ユニットと、
前記信号線ユニットの周囲に形成される第１の遮へい層と、
前記第１の遮へい層の周囲に、断面視で同心円状となるように偶数本の電源線が撚り合わされて配置される電源線ユニットと、
前記電源線ユニットの周囲に形成される第２の遮へい層と、を備え、
前記偶数本の電源線には、交互に逆方向の電流が流れ、
前記信号線ユニットの外径ｄ１と前記電源線の外径ｄ２との比ｄ１／ｄ２が、１．６〜３．０であり、
前記信号線ユニットの撚りピッチが、層心径の２５〜３５倍であり、
前記電源線ユニットの撚りピッチが、層心径の２５〜３５倍であることを特徴とする。

本発明に係る複合ケーブルによれば、高周波領域における電源線の交流抵抗を低減できるとともに、信号線におけるノイズを低減でき、さらには小型化（細径化）を図ることができる。

本発明の一実施の形態に係る複合ケーブルの利用形態を示す図である。 本発明を適用した給電用ケーブルの断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る複合ケーブルの利用形態を示す図である。図１では、車両用の非接触給電システムを構成する給電装置１００の給電用ケーブル１として、本発明に係る複合ケーブルが適用される。すなわち、給電用ケーブル１は、電気エネルギーを輸送する電源線１４（強電線）と、電気通信により情報を伝送する信号線１１（弱電線）とを備える。

給電装置１００は、地上に設置される電力供給装置３、及び給電用ケーブル１を介して電力供給装置３に接続される給電カプラ２を備える。

給電カプラ２は、給電側通信部２１及び給電側コイル２２等を有する。給電カプラ２は、車両のバッテリーを充電する際、車両に搭載される受電装置のカプラ挿入口に差し込まれる。給電カプラ２がカプラ挿入口に差し込まれたとき、給電側コイル２２は受電側コイル（図示略）に対向して配置される。給電側通信部２１は、受電装置が有する受電側通信部（図示略）と無線通信により情報の送受信を行う。給電側通信部２１は、例えば受電側通信部から送信された充電を許可する情報を受信し、信号線１１を介して給電側制御部３１に出力する。

電力供給装置３は、給電側制御部３１、インバーター３２、交流電源３３、及び操作部（図示略）等を有する。給電側制御部３１は、例えば、操作部（図示略）から充電を指示する情報が入力されるとともに、給電側通信部２１から充電を許可する情報が入力された場合に、給電側コイル２２に対して給電を行うようにインバーター３２を制御する。インバーター３２は、交流電源３３から供給された商用周波数の交流電圧を所定の高周波数の交流電圧に変換し、電源線１４を介して給電側コイル２２に供給する。

給電側コイル２２に交流電圧が印加されると、交流電流が流れ、受電側コイル（図示略）を鎖交する磁束が発生する。この磁束が変化することによって、受電側コイルに誘導電流が流れ、車両に搭載されたバッテリーが充電される。

給電用ケーブル１は、給電側通信部２１と給電側制御部３１間の信号伝送を行う信号線１１と、給電側コイル２２とインバーター３２間の電力伝送を行う電源線１４を備える複合ケーブルである。給電用ケーブル１には、小型（細径）であること、電源線の交流抵抗が小さいこと、信号線にノイズが発生しないことが要求される。

図２は、給電用ケーブル１の断面図である。図２に示すように、給電用ケーブル１は、中心から順に、信号線ユニット１１Ｕ、内部押さえテープ１２、内部遮へい層１３、電源線ユニット１４Ｕ、外部押さえテープ１５、外部遮へい層１６等を備える。

信号線ユニット１１Ｕは、複数本（例えば４本）の信号線１１を撚り合わせた集合体である。それぞれの信号線１１は、複数本の導体素線１１ａ（例えば７本の銅線）を撚り合わせて、絶縁体１１ｂ（例えば架橋ポリエチレン）で被覆した構成を有する。

信号線ユニット１１Ｕの撚りピッチは、信号線ユニット１１Ｕの層心径の２５〜３５倍である。信号線ユニット１１Ｕの層心径とは、それぞれの信号線１１の中心を通る円Ｃ１の直径である。例えば、信号線ユニット１１Ｕが、外径：２．９５ｍｍの信号線１１を４本撚り合わせて構成される場合、信号線ユニット１１Ｕの層心径は４．１７ｍｍとなる。したがって、信号線ユニット１１Ｕの撚りピッチは１０４〜１４６ｍｍに設定される。

信号線ユニット１１Ｕの撚りピッチが層心径の２５倍よりも小さい場合、信号線１１が長くなるので、コストや重量が増大する。また、信号線ユニット１１Ｕの撚りピッチが層心径の３５倍よりも大きい場合、撚りが緩すぎて所定の配置を保持するのが困難となる。すなわち、信号線ユニット１１Ｕの撚りピッチを層心径の２５〜３５倍とすることにより、コストや重量が増大するのを抑制できるとともに、信号線ユニット１１Ｕの撚り形状を確保することができる。

信号線ユニット１１Ｕの外周には、不織布等の内部押さえテープ１２が巻回され、さらに銅テープ等の内部遮へい層１３が巻回される。信号線ユニット１１Ｕ、内部押さえテープ１２、及び内部遮へい層１３により給電用ケーブル１の心材が形成される。信号線ユニット１１Ｕの外周に遮へい層１３（第１の遮へい層）を形成することにより、信号線１１に静電誘導ノイズが発生するのを効果的に防止することができる。

なお、心材を円形に仕上げるために、信号線１１間には、ジュート、紙紐、ポリプロピレン紐等の介在物（図示略）が充填される。また、内部遮へい層１３の周囲に、さらに押さえテープが巻回されてもよい。また、内部遮へい層１３としては、銅テープの他、銅パイプや編組銅線等を適用することもできる。

電源線ユニット１４Ｕは、心材をガイドとして、内部遮へい層１３の周囲に偶数本（例えば８本）の電源線１４を撚り合わせた集合体である。すなわち、電源線１４は、断面視で同心円状となるように配置される。偶数本の電源線１４は同心円上で等間隔に配置されてもよいし、隣接する２本の電源線１４からなる電源線対同士が等間隔となるように配置されてもよい。それぞれの電源線１４は、複数本の導体素線１４ａ（例えば７本の銅線）を撚り合わせて、絶縁体１４ｂ（例えば架橋ポリエチレン）で被覆した構成を有する。

電源線ユニット１４Ｕにおいて、隣接する電源線１４には逆方向の電流が流される。図２では、第１極性（例えば＋極性）の電流が流れる電源線１４を電源線１４Ａ、第２極性（例えば−極性）の電流が流れる電源線１４を電源線１４Ｂとして区別して示している。電源線１４Ａと電源線１４Ｂに逆方向の電流が流れることにより、信号線１１に生じる誘導起電力が相殺されるので、電磁誘導ノイズが低減される。

電源線ユニット１４Ｕは、隣接する電源線１４Ａ、１４Ｂを対として、複数対の電源線１４Ａ、１４Ｂを有する（図２では４対）。電源線１４の導体総断面積（個々の電源線１４の導体断面積の総和）が同じ場合、電源線ユニット１４Ｕを１対の電源線１４Ａ、１４Ｂで構成するよりも、複数対の電源線１４Ａ、１４Ｂで構成した方が、高周波電流（例えば２００ｋＨｚ）が流れるときの交流抵抗は小さくなる。
したがって、電源線ユニット１４Ｕを複数対の電源線１４Ａ、１４Ｂで構成することにより、導体総断面積を一定とした場合には、大電流を流すことができる。言い換えると、電流が一定である場合には、導体総断面積を小さくする、すなわち電源線１４の細径化、ひいては給電用ケーブル１の細径化を図ることができる。

電源線１４の外径ｄ２は、信号線ユニット１１Ｕの外径ｄ１と電源線１４の外径ｄ２との比ｄ１／ｄ２（以下「外径比ｄ１／ｄ２」）が１．６〜３．０となるように、好ましくは１．８〜２．６となるように設定される。なお、外径比ｄ１／ｄ２が上記範囲となるように、信号線ユニット１１Ｕの外径ｄ１を適宜調整してもよい。例えば、信号線ユニット１１Ｕの外径ｄ１が７．１０ｍｍの場合、電源線１４の外径ｄ２は２．３７〜４．４４ｍｍに設定される。

信号線ユニット１１Ｕと電源線１４の外径比ｄ１／ｄ２が１．６よりも小さい場合、信号線ユニット１１Ｕの周囲に配置できる電源線１４の本数が少なくなるので、交流抵抗を低減する効果が小さくなる。また、電源線１４間の隙間が大きくなり、配列が崩れる虞がある。また、信号線ユニット１１Ｕと電源線１４の外径比ｄ１／ｄ２が３．０よりも大きい場合、大電流を流すのに必要なすべての電源線１４を信号線ユニット１１Ｕの外周に整然と配列することが困難となる。つまり、信号線ユニット１１Ｕの外径が過度に大きかったり、或いは小さかったりする場合には、信号線ユニット１１Ｕの周囲に電源線１４を同心円状に整然と配置することが困難となる。

すなわち、信号線ユニット１１Ｕと電源線１４の外径比ｄ１／ｄ２を１．６〜３．０、好ましくは１．８〜２．６とすることにより、大電流を流すための導体総断面積を確保ししつつ、複数の電源線１４を整然と信号線ユニット１１Ｕの外周に配置することができる。また、信号線ユニット１１Ｕと電源線１４の外径比ｄ１／ｄ２を規定することにより、所望のケーブル特性を有するように、信号線ユニット１１Ｕの外径ｄ１、電源線１４の外径ｄ２、及び電源線１４の本数を容易に変更することができる。

特に、電源線ユニット１４Ｕを６〜１０本の電源線１４で構成する、すなわち３〜５対の電源線１４Ａ、１４Ｂで構成するのが好ましい。これにより、交流抵抗を低減できるとともに、無駄なスペースが少なくなるのでケーブルの細径化を図ることができる。

また、電源線ユニット１４Ｕの撚りピッチは、電源線ユニット１４Ｕの層心径の２５〜３５倍である。電源線ユニット１４Ｕの層心径とは、それぞれの電源線１４の中心を通る円Ｃ２の直径である。例えば、心材（信号線ユニット１１Ｕ＋内部押さえテープ１２＋内部遮へい層１３）の外径が７．８ｍｍ、電源線１４の外径が４．００ｍｍの場合、電源線ユニット１４Ｕの層心径は１１．８ｍｍとなる。したがって、電源線ユニット１４Ｕの撚りピッチは４９０〜６８６ｍｍに設定される。

電源線ユニット１４Ｕの撚りピッチが層心径の２５倍よりも小さい場合、電源線１４が長くなるので、コストや重量が増大する。また、電源線ユニット１４Ｕの撚りピッチが層心径の３５倍よりも大きい場合、撚りが緩すぎて所定の配置を保持するのが困難となる。すなわち、電源線ユニット１４Ｕの撚りピッチを層心径の２５〜３５倍とすることにより、コストや重量が増大するのを抑制できるとともに、電源線ユニット１４Ｕの撚り形状を確保することができる。

電源線ユニット１４Ｕの外周には、不織布等の外部押さえテープ１５が巻回され、さらに銅テープ等の外部遮へい層１６が巻回される。外部遮へい層１６は接地される。給電用ケーブル１の最外層には、架橋ポリエチレン等の絶縁体からなるシース１７が形成される。電源線ユニット１４Ｕの外周に外部遮へい層１６（第２の遮へい層）を形成することにより、外部へ電界が漏れ出すのを防止することができる。また、外部遮へい層１６は、短絡事故時の電流流路となる。

なお、給電用ケーブル１を円形に仕上げるために、電源線１４間には、ジュート、紙紐、ポリプロピレン紐等の介在物（図示略）が充填される。また、外部遮へい層１６の周囲に、さらに押さえテープを巻回してもよい。また、外部遮へい層１６としては、銅テープの他、銅パイプや編組銅線等を適用することもできる。

このように、給電用ケーブル１は、複数本の信号線１１が撚り合わされてなる信号線ユニット１１Ｕと、信号線ユニット１１Ｕの周囲に形成される内部遮へい層１３（第１の遮へい層）と、内部遮へい層１３の周囲に、断面視で同心円状となるように偶数本の電源線１４が撚り合わされて配置される電源線ユニット１４Ｕと、電源線ユニット１４Ｕの周囲に形成される外部遮へい層１６（第２の遮へい層）と、を備える。
また、給電用ケーブル１においては、偶数本の電源線１４（１４Ａ、１４Ｂ）には、交互に逆方向の電流が流れ、信号線ユニット１１Ｕと電源線１４の外径比ｄ１／ｄ２が１．６〜３．０であり、信号線ユニット１１Ｕの撚りピッチが層心径の２５〜３５倍であり、電源線ユニット１４Ｕの撚りピッチが層心径の２５〜３５倍である。

これにより、高周波領域における電源線１４の交流抵抗を低減できるとともに、信号線１１におけるノイズを低減することができる。また、給電用ケーブル１の小型化（細径化）を図ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、複合ケーブルの電源線は、複数本の絶縁電線（例えば７本のポリウレタン絶縁銅線）を撚り合わせたリッツ線を、絶縁体（例えば架橋ポリエチレン）で被覆した構成としてもよい。この場合、電源線における交流抵抗を低減することができる。
また、本発明に係る複合ケーブルは、実施の形態で示した非接触給電システムに用いられる給電用ケーブルとして好適であるが、その他の形態で利用することもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 給電用ケーブル（複合ケーブル）
１１ 信号線
１１Ｕ 信号線ユニット
１２ 内部押さえテープ
１３ 内部遮へい層（第１の遮へい層）
１４、１４Ａ、１４Ｂ 電源線
１４Ｕ 電源線ユニット
１５ 外部押さえテープ
１６ 外部遮へい層（第２の遮へい層）
１７ シース

Claims (4)

1. 複数本の信号線が撚り合わされてなる信号線ユニットと、
   前記信号線ユニットの周囲に形成される第１の遮へい層と、
   前記第１の遮へい層の周囲に、断面視で同心円状となるように偶数本の電源線が撚り合わされて配置される電源線ユニットと、
   前記電源線ユニットの周囲に形成される第２の遮へい層と、を備え、
   前記偶数本の電源線には、交互に逆方向の電流が流れ、
   前記信号線ユニットの外径ｄ１と前記電源線の外径ｄ２との比ｄ１／ｄ２が、１．６〜３．０であり、
   前記信号線ユニットの撚りピッチが、層心径の２５〜３５倍であり、
   前記電源線ユニットの撚りピッチが、層心径の２５〜３５倍であることを特徴とする複合ケーブル。
2. 前記信号線ユニットの外径ｄ１と前記電源線の外径ｄ２との比ｄ１／ｄ２が、１．８〜２．６であることを特徴とする請求項１に記載の複合ケーブル。
3. 前記電源線の本数が６〜１０本であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合ケーブル。
4. 前記第１の遮へい層及び前記第２の遮へい層が、螺旋状に巻回される遮へいテープであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の複合ケーブル。

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