JP5921839B2 - 非接触給電トランス - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車などに非接触で給電する非接触給電トランスに関し、放熱特性の改善を図るものである。

電気自動車やプラグインハイブリット車のバッテリーを充電するシステムとして、図１２に示すように、車両側に非接触給電トランスの二次側コイル（受電コイル）２０を搭載し、地上側に設置した一次側コイル（送電コイル）１０から電磁誘導を利用して非接触で給電する方式が開発されている。
下記特許文献１には、このシステムに用いる非接触給電トランスを、図１３のように構成することが提案されている。この非接触給電トランスの送電コイル及び受電コイルは、平板状のフェライト磁心１３の表面に扁平に巻回された渦巻き状のコイル７を有し、その表面がモールド樹脂１７で被覆されている。この形態のコイルを「片側巻コイル」と称する。

この非接触給電トランスでは、コイル７で発生したジュール熱がモールド樹脂１７及びフェライト磁心１３に熱伝導する。モールド樹脂１７に伝わった熱は、モールド樹脂１７の表面から放熱され、また、フェライト磁心１３に伝わった熱は、磁心１３で発生する鉄損の熱とともに背板１５から放熱される。そのため、片側巻コイルの放熱特性は良好である。
しかし、片側巻コイルを用いる非接触給電トランスは、車両の停車位置がずれて送電コイルと受電コイルとが正対しなかったり、送電コイルと受電コイルとのギャップが変動したりすると、給電効率が大幅に低下する。こうした位置ずれやギャップ変動に対する許容量を大きくしようとすると、送電コイル及び受電コイルのサイズが大きくなる。

下記特許文献２には、位置ずれやギャップ変動の許容量が大きく、且つ、小型に構成できる非接触給電トランスが提案されている。この非接触給電トランスは、図１４に示すように、送電コイル及び受電コイルが、フェライトコア６１、６３の周りにコイル６２、６４を巻回して構成される。このコイルを「両側巻コイル」と称する。
この非接触給電トランスでは、フェライトコア６１、６３の磁極部を通って巡回する主磁束６７が発生する。それとともに、コイル６２、６４の非対向面側に迂回する漏洩磁束６８、６９が生じる。この漏洩磁束６８、６９が車体の床の鉄板等に侵入すると、誘導電流が流れて鉄板が加熱され、給電効率が低下する。これを避けるため、両側巻コイルを用いる非接触給電トランスでは、コイル６２、６４の背面にアルミ板等の非磁性の良導体６５、６６を配置して漏洩磁束６８、６９を磁気遮蔽する必要がある。
また、下記特許文献２では、両側巻コイルの一層の小型軽量化を図るため、フェライトコア６１、６３をＨ字型に構成し、Ｈ字の両側の平行する部分を磁極部とし、Ｈ字の横棒に相当する部分（磁極部間を繋ぐ部分）にコイルを巻回する構造を提案している。

特開２００８−８７７３３号公報 特開２０１１−５０１２７号公報

しかし、両側巻コイルを用いる非接触給電トランスは、送電コイルと受電コイルとの位置ずれやギャップ変動に対する許容量が大きい、という利点を備えているが、放熱特性の面で、改善すべき点を有している。
図１５及び図１６は、両側巻コイルを用いた非接触給電トランスで連続給電試験を行い、そのときの温度上昇について測定した結果を示している。非接触給電トランスは、図１５（ａ）及び図１６（ａ）の断面図に示すように、フェライトコア１３１に巻線１３２を巻回して両側巻コイルを形成し、この両側巻コイルを樹脂製ケース１３３に収容して一次側コイル（送電コイル）及び二次側コイル（受電コイル）を構成している。また、二次側コイルの樹脂製ケース１３３の背面に接してアルミ板１３４を配置している。

図１５（ｂ）は、１．５ｋＷの連続給電を行ったときの温度変化を示し、図１６（ｂ）は、３ｋＷの連続給電を行ったときの温度変化を示している。図１５（ｂ）及び図１６（ｂ）では、横軸に時間（分）、縦軸に温度（℃）を取り、一次側フェライトコア（１）、二次側フェライトコア（２）、一次側巻線（３）、二次側巻線（４）及び二次側コイルの樹脂製ケース３３に接して配置したアルミ板（５）の温度を測定している。
この結果から、１．５ｋＷの連続給電（図１５）では、二次側巻線及び二次側フェライトコアの飽和温度が約６０℃であり、連続給電が可能なレベルであるが、ただし、送電コイルが屋外に設置され、直射日光の照射で気温が高くなるような状況では、連続給電が困難になる。

なお、このときの給電効率は９５％であり、全損失が７５Ｗで、一次側コイル及び二次側コイルの損失割合は、略１／２（３７．５Ｗずつの損失）であった。
３ｋＷの連続給電（図１６）は、一次側コイル及び二次側コイルを１．５ｋＷの連続給電の時と同じ状態にし、電源電圧を１００Ｖから２００Ｖに上げて行った。９０分後に二次巻線の温度が１００℃を越えて上昇し続けたため、連続運転が不可能になった。
３ｋＷ給電時の給電効率は、１．５ｋＷのときと同じ９５％であり、全損失が２倍（１５０Ｗ）になり温度が上昇している。

本発明は、こうした考察に基づいて創案したものであり、送電コイルと受電コイルとの位置ずれやギャップ変動に対する許容量が大きく、小型軽量化が可能であり、且つ、放熱特性（冷却特性）が良好な非接触給電トランスを提供することを目的としている。

本発明は、コアの磁極部間の被巻回部に巻線が巻回され、２つの磁極部が被巻回部と直交する方向に平行に延び、全体形状がＨ字状を成している両側巻コイルと、この両側巻コイルを収納する筐体とを備え、収容した両側巻コイルが他の両側巻コイルと対向するように筐体が取り付けられる非接触給電トランスであって、筐体が、両側巻コイルを収容する空間を有し、他の両側巻コイルと対向する面の反対側の面が開口している樹脂カバーと、樹脂カバーの前記開口を塞ぐように樹脂カバーに外周が嵌め込まれてこの樹脂カバーに固定される非磁性導電金属材から成る固定板と、を備え、固定板は、両側巻コイルの被巻回部に巻回される巻線の端部を導出するための導出孔を有し、この導出孔が、二つの磁極部の各々を通って磁極部の延びる方向に延びる２本の平行線の間隔の中間位置であって、被巻回部に巻回された巻線から距離を置いた位置に設けられていることを特徴とする。
この非接触給電トランスでは、アルミ等の非磁性導電金属材から成る固定板が、漏洩磁束のシールド材としての機能と、熱の放熱材としての機能とを果たしている。巻線抵抗損による熱は、固定板に伝導して固定板から放熱されるため、非接触給電トランスの温度上昇が抑えられる。

また、本発明の非接触給電トランスでは、固定板とコアの被巻回部に巻回された巻線との間に高熱伝導性絶縁樹脂を介在させても良い。
この場合、巻線抵抗損による熱は、高い熱伝導率を有するシリコン系樹脂等の高熱伝導性絶縁樹脂を経由して固定板に伝導し、固定板から放熱されるため、放熱特性が大幅に向上する。

また、本発明の非接触給電トランスでは、コアの被巻回部に巻線を多層に巻回し、高熱伝導性絶縁樹脂の厚さを、少なくとも巻線の一つの層が高熱伝導性絶縁樹脂に埋まる厚さに設定することが望ましい。

また、本発明の非接触給電トランスでは、固定板と被巻回部以外のコア部分との間にも高熱伝導性絶縁樹脂を介在させることが望ましい。
この場合、コアで発生する鉄損の熱も高熱伝導性絶縁樹脂を経由して固定板に伝導し、固定板から放熱されるため、放熱特性が向上する。

また、本発明の非接触給電トランスでは、両側巻コイルの巻線が、コアの被巻回部を覆う巻線用ボビンに巻回される場合、巻線用ボビンを高熱伝導性絶縁樹脂で形成することが望ましい。
この場合、コアで発生する鉄損の熱や、巻線で発生するジュール熱が高熱伝導性絶縁樹脂から成る巻線用ボビンを経由して固定板に伝導し、固定板から放熱される。

また、本発明の非接触給電トランスでは、筐体に冷却用絶縁油を封入し、固定板の冷却用絶縁油との接触面に、冷却用絶縁油との接触面積を拡大するための突起を設けるようにしても良い。
この場合、巻線の抵抗損による熱及びコアの鉄損による熱が、冷却用絶縁油を介して固定板に伝導し、固定板から放熱されるため、放熱特性が向上する。

また、本発明の非接触給電トランスでは、この場合、固定板の突起は、両側巻コイルからの漏洩磁束で固定板に生じる渦電流損失が、所定の大きさを超えない範囲で設ける必要がある。

本発明の非接触給電トランスは、両側巻コイルを収容する樹脂カバーの開口に、磁気シールド材及び放熱材の機能を兼ねる非磁性導電金属板を固定しているため、コイル間の位置ずれやギャップ変動に対する許容量が大きく、且つ、放熱特性が良好である。
そのため、小型で軽量な非接触給電トランスにより、大電力の連続給電を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る非接触給電トランスの構成部品を示す図 Ｈ型コアを備える両側巻コイルの漏洩磁束分布を示す図 図１の非接触給電トランスの組立て工程を示す図 図４の非接触給電トランスの温度上昇試験結果を示す図 本発明の第２の実施形態に係る非接触給電トランスの組立て工程を示す図 図５の非接触給電トランスの製造過程を示す図 図６の非接触給電トランスの温度上昇試験結果を示す図 本発明の第２の実施形態に係る非接触給電トランスの変形例を示す図 本発明の第３の実施形態に係る非接触給電トランスの固定板を示す図 本発明の第３の実施形態に係る非接触給電トランスの組立て工程を示す図 図１０の非接触給電トランスの構造図 自動車への非接触給電システムの適用形態を説明する図 従来の片側巻コイルを示す図 従来の両側巻コイルを示す図 両側巻コイルを有する非接触給電トランスの温度上昇試験結果を示す図（1.5ｋＷ給電） 両側巻コイルを有する非接触給電トランスの温度上昇試験結果を示す図（３ｋＷ給電）

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る非接触給電トランスは、図１に示すように、樹脂カバー３１と、樹脂カバー３１に固定される固定板３２とを有し、この樹脂カバー３１及び固定板３２が両側巻コイルの筐体を構成している。
両側巻コイルのコア４０は、電線（不図示）が巻回される被巻回部４０１と、被巻回部４０１の両端から被巻回部４０１と直交する方向に平行に延びる２つの磁極部４０２、４０３とを有し、全体形状がＨ字状を成している。
樹脂カバー３１は、升のように一面だけが開口しており、この開口の周囲に、固定板３２を嵌め込んで固定するための段差部３１１が形成されている。
固定板３２は、非磁性導電金属材のアルミ板で形成されており、両側巻コイルの漏洩磁束を磁気シールドする機能と、通電時の両側巻コイルから発生する熱を放熱する機能とを有している。

また、固定板３２には、コア４０の被巻回部４０１に巻回された巻線の端部を導出するための導出孔３２１が設けられている。Ｈ型コアを有する両側巻コイルから発生する漏洩磁束は、図２に示すように、磁極部４０２、４０３の中間部（特に、磁極部４０２、４０３の間隔を二等分する仮想中央線８３の巻線４０４から距離を置いた箇所）では極めて少ない。そのため、この箇所に対応する固定板３２の位置に導出孔３２１を設ければ、磁気シールド機能を損なわずに、電線の引き回し距離を短縮できる。
図３に示すように、Ｈ型コア４０に巻線（不図示）が巻回された両側巻コイルを樹脂カバー３１に収納し（図３（ａ））、樹脂カバー３１の開口に固定板３２を固定して非接触給電トランスが製造される（図３（ｃ））。この非接触給電トランスは、筐体の樹脂カバー３１の側がギャップを隔てて他の両側巻コイルに対向するように、筐体の固定板３２の側が車両の床などに固定される。

この非接触給電トランスでは、両側巻コイルの巻線の抵抗損による熱が、固定板３２に伝導し、固定板３２から放熱されるため、非接触給電トランスの温度上昇が抑えられる。
図４は、この非接触給電トランスを用いて３ｋＷの連続給電試験を行ったときの各部の温度変化を示している。図４（ａ）は、この非接触給電トランスの断面図を示し、図４（ｂ）は、横軸に時間（分）、左縦軸に温度（℃）を取り、一次側コア（１）、二次側コア（２）、一次側巻線（３）、二次側巻線（４）、二次側コイル筐体のＡｌ固定板（５）、一次側コイル筐体のＡｌ固定板（６）及び室温（７）の温度変化を示している。また、図４（ｂ）では、右縦軸に給電効率を目盛り、給電効率の時間的変化を黒点で示している。

なお、この非接触給電トランスでは、巻線４０４とＡｌ固定板３２との電気的絶縁の確保が必要であり、巻線４０４が絶縁被覆されていない場合は、巻線４０４とＡｌ固定板３２との間に間隙を設けたり、薄い絶縁材を介在させたりして絶縁を確保する。この試験では、巻線４０４と固定板３２との間に間隔を設けて電気的絶縁を確保している。
図４（ｂ）と図１６（ｂ）とを比較して明らかなように、従来の樹脂ケースを筐体とする非接触給電トランスでは、３ｋＷの連続給電を行うと、二次巻線の温度が１００℃以上になっても上昇し続けたが、筐体にＡｌ固定板３２を有する非接触給電トランスでは、二次巻線の温度が約１００℃で平衡飽和状態になる。この非接触給電トランスの給電効率は、９４％以上であり、Ａｌ固定板３２が漏洩磁束シールド材として作用していることが分かる。

このように、第１の実施形態の非接触給電トランスは、漏洩磁束のシールド材としての機能と、熱の放熱材としての機能とを有する非磁性導電金属材を、両側巻コイルの筐体の固定板として用い、両側巻コイルの巻線の抵抗損による熱を固定板に伝導して、固定板から放熱させるようにしているため、給電効率などの給電性能を落とさずに放熱性能（冷却性能）を向上させることができる。
なお、ここでは、非磁性導電金属材としてアルミを使用したが、銅などの金属を用いても良い。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る非接触給電トランスは、高熱伝導性絶縁樹脂を用いて放熱特性の向上を図っている。
使用する高熱伝導性絶縁樹脂は、絶縁性樹脂であって、０．９Ｗ／ｍｋ以上の熱伝導率を有することが望ましい。こうした性能を有する樹脂は、広く市販されており、例えば、Ｓｉ系樹脂のＳＥ４４８６、ＳＥ４４３０（いずれも東レ・ダウケミカル社製）などを用いることができる。
図５は、この非接触給電トランスの製造過程を示している。両側巻コイルを筐体に収容したときに、両側巻コイルが接する固定板３２の面に高熱伝導性絶縁樹脂５０を予め塗布し（図５（ａ））、その上に両側巻コイルを配置する（図５（ｂ））。この固定板３２を、両側巻コイルを内側にして樹脂カバー３１の開口に嵌合し、非接触給電トランスを製造する（図５（ｃ））。
図６は、実際の製造過程を示している。図６（ａ）は、固定板３２の面に高熱伝導性絶縁樹脂５０を塗布した状態を示し、図６（ｂ）は、その上に両側巻コイルを配置した状態を示している。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の楕円で囲んだ箇所の拡大図であり、高熱伝導性絶縁樹脂５０に一部が埋まった巻線を示している。

このように、高熱伝導性絶縁樹脂５０の厚さは、両側巻コイルの巻線の一部が埋まる厚さに設定する。両側巻コイルの巻線が多層に巻回されている場合は、少なくとも、巻線の一つの層が高熱伝導性絶縁樹脂５０に埋まる厚さに設定することが望ましい。
この非接触給電トランスでは、両側巻コイルの巻線の抵抗損による熱が、高熱伝導性絶縁樹脂５０を通じて効率的に固定板３２に伝導し、固定板３２から放熱されるため、非接触給電トランスの温度上昇が効果的に抑えられる。

図７は、この非接触給電トランスを用いて３ｋＷの連続給電試験を行ったときの各部の温度変化を示している。図７（ａ）は、この非接触給電トランスの断面図を示し、図７（ｂ）は、横軸に時間（分）、左縦軸に温度（℃）を取り、一次側コア（１）、二次側コア（２）、一次側巻線（３）、二次側巻線（４）、二次側コイル筐体のＡｌ固定板（５）、一次側コイル筐体のＡｌ固定板（６）及び室温（７）の温度変化を示している。また、図７（ｂ）では、右縦軸に給電効率を目盛り、給電効率の時間的変化を黒点で示している。
図７（ｂ）と図４（ｂ）とを比較して明らかなように、巻線４０４と固定板３２との間が高熱伝導性絶縁樹脂５０で充填されていない場合は、巻線４０４の平衡飽和温度が１００℃であったが、その間を高熱伝導性絶縁樹脂５０で充填すると、巻線４０４の平衡飽和温度が６０℃に低下している。また、この非接触給電トランスの給電効率は、９４％以上で安定しており、Ａｌ固定板３２が漏洩磁束シールド材として安定的に作用していることが分かる。
このように、第２の実施形態の非接触給電トランスは、高熱伝導性絶縁樹脂５０を用いることで、第１の実施形態の非接触給電トランスの放熱性能（冷却性能）を飛躍的に向上させることができる。

なお、ここでは、両側巻コイルの巻線４０４と非磁性導電金属材から成る固定板３２との間に高熱伝導性絶縁樹脂５０を充填する場合について説明したが、図８に示すように、さらに、両側巻コイルのコア４０と固定板３２との間に高熱伝導性絶縁樹脂５０を充填するようにしても良い。
この場合、コア４０で発生する鉄損の熱も高熱伝導性絶縁樹脂５０を経由して効率的に固定板３２に伝導し、固定板３２から放熱されるため、放熱特性がさらに向上する。
また、コア４０の被巻回部４０１が巻線用ボビンで覆われ、巻線４０４が巻線用ボビンに巻回される場合には、この巻線用ボビンを高熱伝導性絶縁樹脂で成形するようにしても良い。
こうすることで、コアで発生する鉄損の熱や巻線で発生する抵抗損の熱が、高熱伝導性絶縁樹脂から成る巻線用ボビンを通じて効率的に固定板に伝導される。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る非接触給電トランスは、冷却用絶縁油を用いて放熱特性の向上を図っている。
冷却用絶縁油には、ナフテン系絶縁油やパラフィン系絶縁油などの鉱油系絶縁油、あるいは、シリコン油やアルキルベンゼンなどの合成油が使用できる。
この非接触給電トランスでは、冷却用絶縁油を筐体に封入する。筐体内の冷却用絶縁油は、筐体内で自然対流し、コアで発生する鉄損の熱や巻線で発生する抵抗損の熱を非磁性導電金属材から成る固定板３２に導き、これらの熱が固定板３２から放熱される。

冷却用絶縁油から固定板３２への熱の伝導を効率的に行わせるため、この非接触給電トランスでは、図９に示すように、筐体の内側に当たる固定板３２の面（図９（ｂ））に多数の突起３２２を形成し、冷却用絶縁油に接触する固定板３２の表面積を拡大している。このような突起３２２は、アルミ板にエンボス加工を施すことにより、形成することができる。
ただ、固定板３２に突起３２２を設けると、両側巻コイルからの漏洩磁束で固定板３２に生じる渦電流損失が増大する可能性があるため、この損失が小さい範囲に収まるように、突起３２２の高さや面積を設定する必要がある。

図１０は、試作した非接触給電トランスの製造過程を示している。ここでは、両側巻コイルと固定板３２との間を高熱伝導性絶縁樹脂で充填する第２の実施形態の構成を併用している。図１０（ａ）は、突起を形成した固定板３２を示し、図１０（ｂ）は、この固定板３２の上に高熱伝導性絶縁樹脂を介して固定した両側巻コイル、及び樹脂ケース３１を示し、図１０（ｃ）は、冷却用絶縁油を注入した樹脂ケース３１と、両側巻コイルが固定された固定板３２とを合体して製造した非接触給電トランスを示している。
また、図１１は、この非接触給電トランスの構造図を示している。
このように、冷却用絶縁油を用いることで非接触給電トランスの放熱効果（冷却効果）を高めることができる。

特に、高熱伝導性絶縁樹脂と冷却用絶縁油とを併用する場合は、非接触給電トランスの冷却効果が大幅に向上する。この非接触給電トランスは、１０ｋＷの連続給電にも対応可能である。
なお、各実施形態では、固定板３２の面積が樹脂ケース３１の開口の面積に等しい場合について説明したが、樹脂ケース３１の開口面に固定した固定板３２の周縁が樹脂ケース３１から食み出るような大きさに固定板を設定しても良い。

本発明の非接触給電トランスは、放熱特性が良好で小型・軽量化が可能であり、電気自動車やプラグインハイブリット車など、各種の移動体の非接触給電に広く利用することができる。

１０ 一次側コイル（送電コイル）
２０ 二次側コイル（受電コイル）
３１ 樹脂カバー
３２ 固定板
４０ コア
５０ 高熱伝導性絶縁樹脂
６１ フェライトコア
６２ コイル
６３ フェライトコア
６４ コイル
６５ 非磁性良導体
６６ 非磁性良導体
６７ 主磁束
６８ 漏洩磁束
６９ 漏洩磁束
８３ 仮想中央線
１３１ フェライトコア
１３２ 巻線
１３３ 樹脂製ケース
１３４ アルミ板
３１１ 段差部
３２１ 巻線導出孔
３２２ 突起
４０１ 被巻回部
４０２ 磁極部
４０３ 磁極部
４０４ 巻線

Claims (7)

1. コアの磁極部間の被巻回部に巻線が巻回され、２つの磁極部が前記被巻回部と直交する方向に平行に延び、全体形状がＨ字状を成している両側巻コイルと、該両側巻コイルを収納する筐体とを備え、収容した前記両側巻コイルが他の両側巻コイルと対向するように前記筐体が取り付けられる非接触給電トランスであって、
   前記筐体が、
   前記両側巻コイルを収容する空間を有し、他の両側巻コイルと対向する面の反対側の面が開口している樹脂カバーと、
   前記樹脂カバーの前記開口を塞ぐように前記樹脂カバーに外周が嵌め込まれて該樹脂カバーに固定される非磁性導電金属材から成る固定板と、
   を備え、
   前記固定板は、前記両側巻コイルの被巻回部に巻回される巻線の端部を導出するための導出孔を有し、
   前記導出孔が、二つの前記磁極部の各々を通って該磁極部の延びる方向に延びる２本の平行線の間隔の中間位置であって、前記被巻回部に巻回された前記巻線から距離を置いた位置に設けられている
   ことを特徴とする非接触給電トランス。
2. 請求項１に記載の非接触給電トランスであって、前記固定板と前記コアの被巻回部に巻回された巻線との間に高熱伝導性絶縁樹脂が介在することを特徴とする非接触給電トランス。
3. 請求項２に記載の非接触給電トランスであって、前記コアの被巻回部に巻線が多層に巻回され、前記高熱伝導性絶縁樹脂の厚さが、少なくとも前記巻線の一つの層が前記高熱伝導性絶縁樹脂に埋まる厚さに設定されていることを特徴とする非接触給電トランス。
4. 請求項２または３に記載の非接触給電トランスであって、前記固定板と前記被巻回部以外のコア部分との間にも高熱伝導性絶縁樹脂が介在することを特徴とする非接触給電トランス。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の非接触給電トランスであって、前記両側巻コイルの巻線が、前記コアの被巻回部を覆う巻線用ボビンに巻回され、前記巻線用ボビンが高熱伝導性絶縁樹脂から成ることを特徴とする非接触給電トランス。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の非接触給電トランスであって、前記筐体に冷却用絶縁油が封入され、前記固定板の前記冷却用絶縁油との接触面に、前記冷却用絶縁油との接触面積を拡大するための突起が設けられていることを特徴とする非接触給電トランス。
7. 請求項６に記載の非接触給電トランスであって、前記突起は、前記両側巻コイルからの漏洩磁束で前記固定板に生じる渦電流損失が、所定の大きさを超えない範囲で設けられていることを特徴とする非接触給電トランス。