JP6054408B2

JP6054408B2 - 非接触給電装置

Info

Publication number: JP6054408B2
Application number: JP2014540713A
Authority: JP
Inventors: 邦仁鈴木; 文彦後藤; 準基佐川
Original assignee: Hitachi Power Solutions Co Ltd
Current assignee: Hitachi Power Solutions Co Ltd
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: JPWO2014057587A1; WO2014057587A1

Description

本発明は電磁誘導の相互作用を利用して電力を供給する非接触給電装置に関する。

非接触給電装置は、１次コイルが収納された給電器と、２次コイルが収納された受電器とを備え、電磁誘導の相互作用に基づいて当該給電器から当該受電器に電力を供給するものである。

この種の非接触給電装置において、受電器は、例えば、二次電池等の蓄電装置を備える電動式移動体（例えば、車両、建設機械（例：油圧ショベル）、産業機械（例：フォークリフト）等）に取り付けられることがあり、給電器は、電源が備えられた充電施設（例えば、充電スタンド）に設置されることがある。この場合、給電器（１次コイル）は、主として屋外に設置され、温湿度変化、粉塵及び風雨等にさらされる過酷な環境で利用される。そのため、金属（導線）から成る１次コイルは、耐候性に優れた樹脂等の材料でモールド成形し、外界との接触を遮断することが好ましい。

この観点に基づいて創作されたものではないものの、モールド成形されたコイル（モールドコイル）を利用した非接触給電装置としては、絶縁されていない複数本の素線からなる導体を巻回し、これを絶縁体によりモールドした非接触給電コイルが開示されている（特開２０１２−０４３９６６号公報）。このように構成することにより、複数本の素線それぞれを絶縁することなくコイルを形成できるので、素線一本一本を絶縁したコイルよりも、製作の手間が大幅に簡素化され、また、その費用も低減できる

特開２０１２−０４３９６６号公報

上記のように樹脂でモールドしたコイルに交流電流を通電すると、コイルの温度が上昇する。このように加熱されたコイルは、モールド樹脂を介した外部への熱の拡散によってある程度冷却されることになる。

しかし、コイルの発熱は、交流電流の通電時間（すなわち、充電時間）や、その周波数に比例して増大する。そして、樹脂は金属に比べて熱伝導率が低いため、通電時間や周波数によってはコイルの冷却が不充分になるおそれがある。さらに、コイルに加熱された樹脂が損傷するおそれもある。

このような事態を回避するための方策として、例えば、コイルへの通電時間に制限を設けることが考えられるが、複数の電動移動体の充電が継続的に実施されることが前提となる充電施設の給電器としては、充電時間に制限が設定されることは好ましくない。複数の給電器を交代で使用するシステムの構築も考えられるが、充電施設のイニシャルコストが増大する点で好ましくない。なお、ここでは、充電施設で発生する課題を想定したが、給電器から受電器への給電が継続的に行われるシステムであれば同様の課題が生じることは言うまでもない。

本発明の目的は、継続した給電が可能な非接触給電装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、樹脂と、当該樹脂内に封入されたコイルと、当該コイルとともに前記樹脂内に封入され、前記樹脂よりも熱伝導率の大きい第１伝導体と、当該第１伝導体と前記樹脂内部で接触し、前記樹脂の外部に露出した第２伝導体とを備えるものとする。

本発明によれば、樹脂内に封入されたコイルで発生した熱を樹脂の外部に容易に排出できるので、給電作業を継続できる。

本発明の実施の形態に係る非接触給電システムの全体構成図。本発明の第１の実施の形態に係るモールドコイル２１の断面図。本発明の第１の実施の形態に係るモールドコイル２１の斜視図。本発明の第２の実施の形態に係るモールドコイル２１Ａの断面図。本発明の第３の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｂの断面図。本発明の第４の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｃの断面図。本発明の第５の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｄの断面図。本発明の第６の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｅの断面図。本発明の第７の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｆの断面図。本発明の実施の形態に係る１次コイル１１の一例の断面図。本発明の実施の形態に係る１次コイル１１の他の例の断面図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る非接触給電システムの全体構成図である。この図に示す非接触給電システムは、電磁誘導の相互作用を利用して電気自動車等の移動体４０に無線で電力を供給するものであり、地上側の充電施設（充電スタンド）５０に設置された給電器５１と、移動体４０に搭載された受電器４１を備えている。なお、給電器５１と受電器４１を併せて非接触給電装置と称することがある。また、ここでは、移動体４０が大型の電気自動車の場合について説明するが、中型・小型の自動車、油圧ショベル及びホイールローダ等の建設機械、フォークリフト等の産業機械等、充電可能な蓄電装置を備えるものであればその他のものでも良い。

給電器５１は、地面６０に対して相対移動不能に固定されており、インバータ装置（制御装置）５２を介して電源２３に接続されている。インバータ装置５２及び電源２３は充電施設５０に設置されている。電源２３としては例えば交流電源が利用可能である。給電器５１には、電気伝導性を有する線材（電線）を環状に巻いて形成した１次コイル１１（図２等参照）が収納されており、電源２３からインバータ装置５２を介して供給される交流電流によって当該１次コイルの周囲に磁界が発生される。なお、図１のインバータ装置５２及び電源２３は地中に埋設されているが、これらは地上に設置しても良い。

受電器４１は、インバータ装置（制御装置）４３を介して蓄電装置４２に接続されている。インバータ装置４３及び蓄電装置４２は移動体４０に搭載されている。蓄電装置４２としては例えばリチウムイオン電池等の二次電池やキャパシタが利用可能である。受電器４１には、電気伝導性を有する線材（電線）を環状に巻いて形成した２次コイル（図示せず）が備えられている。

移動体４０を適切な位置に移動させ、受電器４１の２次コイルを給電器５１の１次コイル１１に対向配置させた状態で１次コイル１１に流す電流を変化させると、１次コイル（給電器５１）が発生する磁界が変化して２次コイルに電流（誘導電流）が流れ、蓄電装置４２が充電される。蓄電装置４２に蓄えられた電力は、インバータ装置４３に接続されたモータ４４等の電機に供給されて利用される。ここでは、移動体４０の車輪を駆動するためのモータ４４に蓄電装置４２から電力を供給する場合について説明するが、蓄電装置４２の電力供給対象は移動体４０に設置された他の電機としても良い。

なお、図１に示した受電器４１は、移動体４０の底面に設置されているが、移動体４０に設置するのであれば他の場所（例えば、移動体４０の側面や上面）に設置しても良い。その場合には、充電施設５０での給電器５１の設置場所が受電器４１の設置場所に合わせて変更されることは言うまでもない。なお、図１中の給電器５１は、その上面の高さが地表面以下になるように地面６０に固定されている。

図２は本発明の第１の実施の形態に係るモールドコイル２１の断面図であり、図３はその斜視図である。先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略することがある（後の図も同様とする）。

図２，３に示したモールドコイル２１は、耐候性に優れた樹脂１２によって成形（モールド）されたものであり、給電器５１に備えられている。モールドコイル２１は、樹脂１２内に封入された１次コイル１１と、１次コイル１１とともに樹脂１２内に封入された第１伝導体２５と、樹脂１２内から外部に露出した第２伝導体１４と、第２伝導体１４における外側の端部に接続された放熱体１５を備えている。

１次コイル１１は、中心軸３１の周りに電線を略円形に巻き回して形成した扁平状のコイルである。１次コイル１１の電線又は全体は、絶縁体によって被覆することが好ましい（例えば、後述する図１０，１１参照）。なお、本実施の形態に係る１次コイル１１は、円形状に形成されているが、矩形状、正方形状、又は楕円形状等に形成しても良い。また、１次コイル１１に係る電線の材質としては、表皮効果による渦電流損を低減するため、リッツ線が好適である。

モールドコイル２１に用いる樹脂１２としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンがある。なお、モールドコイルを他の材料で成形し、その表面に、フッ素系塗料、アクリル、アクリルウレタン等の耐候性に優れた塗料を塗布しても良い。もちろん、これらの塗料を耐候性に優れた樹脂に塗布しても良い。

第１伝導体２５は、熱及び電気の良伝導体であり、１次コイル１１の中心軸３１と同一の中心軸を有する円盤状に形成されている。図２に示した例では排熱効果を促進する観点に基づいて、第１伝導体２５は絶縁体で被覆された１次コイル１１に接触させているが、両者は離しても良い。また、第１伝導体２５としては、樹脂１２よりも熱伝導率の大きい伝導体が利用されており、例えば、銅、アルミニウムなどの金属を利用することが好ましい。さらに、第１伝導体２５は、誘導電流に起因した渦電流の発生を抑制する観点から非磁性体であることが好ましく、当該観点からはアルミニウムが特に好適となる。

第２伝導体１４は、熱及び電気の良伝導体であり、第１伝導体２５と樹脂１２の内部で接触しており、樹脂１２の外部に露出している。本実施の形態の第２伝導体１４は、線状の伝導体であり、その一端は樹脂１２の内部で第１伝導体２５の底面と結合しており、その他端は樹脂１２の外部で放熱体１５に接続されている。第２伝導体１４としては、樹脂１２よりも熱伝導率の大きい伝導体を利用するものとし、例えば、金属が好ましい。また、その利用の性質上、電導性よりも伝熱性が重要となる。さらに、第２伝導体１４の他端が外部に露出する関係上、過酷な環境下での使用が想定されるので、ステンレス等の耐候性に優れた金属を用いることが好ましい。

放熱体１５は、第１伝導体２５から第２伝導１４を介して伝達してくる熱の放出を促進するためのものである。図に示した放熱体１５は、直方体における左右の側面に所定の間隔で配列された複数のフィンを備えることで表面積を増加させ、これにより放熱効果の向上を図っている。放熱体１５の材料は、熱伝導率が高く耐候性に優れたものが好ましく、例えば、耐食性に優れたアルミニウム合金で形成しても良い。放熱体１５は、大気中に固定しても良いし、地中に埋設する等しても良く、後者の場合には前者の場合よりも放熱効果が向上する。

なお、放熱体１５は、図示した形状に限らず、放熱に適したものであれば他の形状でも良い。また、放熱体１５の内部に冷却水流路を形成する等して、放熱体１５を水冷式の冷却装置としても良い。さらに、本実施の形態では、第２伝導体１４に放熱体１５を取り付けた例について説明したが、第２伝導体１４が外部に露出していればある程度の放熱機能は担保されるので、放熱体１５は省略しても良い。

上記のように構成される本実施の形態に係る給電器５１によれば、１次コイル１１への通電時間が長期化して顕著な発熱があった場合にも、１次コイル１１で発生した熱を第１伝導体２５から第２伝導体１４を介してモールドコイル２１の外部に放出することができる。これにより樹脂１２の加熱が抑制されるので、連続した通電、すなわち受電器４１に対して継続した給電を実施することができる。

また、第１伝導体２５は、モールドコイル２１の剛性向上に寄与するとともに、１次コイル１１の取り付け位置の基準となるので製造工程が容易になる。

図４は本発明の第２の実施の形態に係るモールドコイル２１Ａの断面図である。この図に示すモールドコイル２１Ａは、その内部に磁性材料で形成されたコア１６を有する点で先の実施の形態のものと異なる。

コア（磁性体）１６は、１次コイル１１ともに樹脂１２の内部に封入されており、本実施の形態では板状に形成されている。コア１６は、１次コイル１１における一方の端面側（受電器４１から遠い方の端面側）に配置されている。なお、コア１６の材質としては、渦電流を抑制するために電気抵抗の高いフェライトが好適である。

このようにモールドコイル２１Ａを構成しても、第１の実施の形態と同様に受電器４１に対して継続した給電を実施することができる。

図５は本発明の第３の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｂの断面図である。この図に示すモールドコイル２１Ｂは、円筒状の側面を有する第１伝導体２５Ｂを備える点で先の実施の形態と異なる。第１伝導体２５Ｂの材料は、第１の実施の形態と同様にアルミニウムが特に好ましい。

このようにモールドコイル２１Ｂを構成しても、第１の実施の形態と同様に受電器４１に対して継続した給電を実施することができる。特に、本実施の形態のように、第１伝導体２５Ｂとして、１次コイル１１を外周から取り囲む側面を有するものを利用すると、第１伝導体２５Ｂが高周波シールドとして機能し易くなるので、漏洩磁束を低減することができる。

図６は本発明の第４の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｃの断面図である。この図に示すモールドコイル２１Ｃは、第２伝導体１４Ｃを備える点で先の実施の形態と異なる。

第２伝導体１４Ｃにおける第１伝導体２５側の端部４４は、当該第１伝導体２５の底面において１次コイル１１の中心軸３１が通過する位置に接続されている。本実施の形態では、円盤状の第１伝導体２５の中心は、１次コイル１１の中心軸３１が通過しているため、第２伝導体１４Ｃの端部４４は、１次コイル１１と第１伝導体２５の双方の中心に位置することになる。

このようにモールドコイル２１Ｃを構成しても、第１の実施の形態と同様に受電器４１に対して継続した給電を実施することができる。特に、第２伝導体１４Ｃの端部４４の位置が１次コイル１１と第１伝導体２５の中心に位置しているので、１次コイル１１を均等に冷却することができる。

図７は本発明の第５の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｄの断面図である。この図に示すモールドコイル２１Ｄは、放熱体１５ｄ１，１５ｄ２が取り付けられた複数の第２伝導体１４ｄ１，１４ｄ１を備える点で先の実施の形態と異なる。

第２伝導体１４ｄ１には放熱体１５ｄ１が接続されており、第２伝導体１４ｄ２には放熱体１５ｄ２が接続されている。第２伝導体１４ｄ１，１４ｄ２及び放熱体１５ｄ１，ｄ２に関する他の構成については、第１の実施の形態で説明したものと同じとする。このようにモールドコイル２１Ｄを構成すると、第１の実施の形態よりも第１コイル１１の排熱効果を向上させることができる。

なお、１次コイル１１を均等に冷却する観点からは、２つの第２伝導体１４ｄ１，１４ｄ２が第１伝導体２５に接続する位置は、中心軸３１を基準として互いに点対称の位置になるように設定することが好ましい。また、図７に示した例では、第１伝導体２５に２つの第２伝導体１４ｄ１，１４ｄ２を接続したが３つ以上としても良い。この場合、第２伝導体１４の数が増えるほど排熱効果が向上することが言うまでもない。

図８は本発明の第６の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｅの断面図である。この図に示すモールドコイル２１Ｅは、１次コイル１１の口出し線２０が第２伝導体１４Ｅに接触しながら電源２３に接続されている点で先の実施の形態と異なる。

口出し線２０は絶縁体で被膜されている。口出し線２０は、樹脂１２の内部において、第１伝導体２５に設けた孔３４を介して第１伝導体２５における一方の面側（受電器４１側の面）から他方の面側に導かれ、当該他方の面に接続されている第２伝導体１４Ｅに接触している。そして、口出し線２０は、第２伝導体１４Ｅとの接触を保持した状態でモールドコイル２１（樹脂１２）の内部から外部に露出されている。モールドコイル２１の外部に導かれた後も口出し線２０は第２伝導体１４Ｅと接触したまま電源２３に接続されている。

このようにモールドコイル２１Ｅを構成すると、口出し線２０を介した排熱が促進されるので、第１の実施の形態よりも１次コイル１１の排熱効果を向上させることができる。

なお、口出し線２０は、第２伝導体１４に加えて又は代えて第１伝導体２５に接触させても良い。また、図の例では、モールドコイル２１の外部で口出し線２０が電源２３に到達するまで、口出し線２０と第２伝導体１４Ｅを接触させたが、電源２３に達する途中で両者２０，１４Ｅの接触をやめても良い。すなわち第２伝導体１４と電源２３は必ずしも接続する必要はない。また、第１伝導体２５に孔３４を設けない場合には、口出し線２０を第１伝導体２５の表面に沿って這わせ、第２伝導体１４Ｅまで導くなどしても良い。

図９は本発明の第７の実施の形態に係るモールドコイル２１Ｆの断面図である。この図に示すモールドコイル２１Ｆは、１次コイル１１の口出し線２０が第２伝導体１４Ｆ及び放熱体１５Ｆに接触した後に電源２３に接続されている点で先の実施の形態と異なる。

口出し線２０は、第６の実施の形態と同様に第２伝導体１４Ｆに接触した状態のままでモールドコイル２１（樹脂１２）の内部から外部に導かれている。第２伝導体１４Ｆはモールドコイル２１の外部で放熱体１５Ｆに接続されており、放熱体１５Ｆの内部には口出し線２０を通すための貫通孔３５が設けられている。口出し線２０は、モールドコイル２１の外部に導かれた後、第２伝導体１４Ｆと接触したまま貫通孔３５の内部を通過して、電源２３に接続されている。

このようにモールドコイル２１Ｆを構成しても、口出し線２０を介した排熱が促進されるので、第１の実施の形態よりも１次コイル１１の排熱効果を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、放熱体１５Ｆに設けた貫通孔３５に口出し線２０を導入する場合について説明したが、貫通孔３５を設けることなく口出し線２０を放熱体１５Ｆと接触するように配設しても良い。

ところで、上記の各実施の形態に係る１次コイル１１について図１０，１１を用いて説明する。
図１０は、本発明の実施の形態に係る１次コイル１１の一例の断面図であり、図３における矢印Ｘの方向から１次コイル１１の断面を見たものに相当する。この図に示す１次コイル１１は、略直方体の断面を有するコイル導体１７を中心軸３１の周りに１回巻いたものであり、コイル導体１７の外周には絶縁体（コイル絶縁）１８が被覆されている。これにより１次コイル１１と、第１伝導体２５又はコア１６を絶縁することができる。

図１１は、本発明の実施の形態に係る１次コイル１１の他の例の断面図であり、図１０と同じ方向から１次コイル１１を見たものである。この図に示す１次コイルは、略円形の断面を有するコイル導体（導線）１７Ａを中心軸３１の周りに１０回巻いたものであり、コイル導体１７Ａの外周には絶縁体（コイル絶縁）１８Ａが被覆されている。コイル導体１７Ａは絶縁体１８Ａの外周で樹脂１９によってモールドされている。このように１次コイル１１を構成しても図１０の場合と同様に絶縁できる。

なお、ここでは１本の導線１７Ａを１０回巻いて１次コイル１１を形成する場合について説明したが、１本の導線を５回巻いたものを２つ重ね合わせて１次コイル１１を形成する等しても良く、導線の本数及び巻数に特に限定は無い。

ところで、上記の各実施の形態では、給電器５１のモールドコイル２１（１次コイル）を前提に説明したが、受電器４１側の２次コイルについても上記各実施の形態のように構成しても良く、その場合には上記と同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、本発明は、上記で説明した各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内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

１１…１次コイル、１２…樹脂、１４…第２伝導体、１５…放熱体、１６…コア、１７…コイル導体、１８…コイル絶縁体、１９…樹脂、２０…コイル口出し、２１…モールドコイル、２３…電源、３１…コイル中心軸、４１…受電器、４２…蓄電装置、４３…インバータ装置、４４…モータ、５０…充電施設、５１…給電器、５２…インバータ装置、６０…地面

Claims

樹脂と、
当該樹脂内に封入されたコイルと、
当該コイルとともに前記樹脂内に封入された金属よりなる第１伝導体と、
当該第１伝導体と前記樹脂内部で接触し、前記樹脂の外部に露出した第２伝導体とを備え、
前記第１伝導体は、前記コイルを外周から取り囲む円筒状の側面と、当該円筒状の側面の軸方向における一方の端部に設けられた円盤状の底面とを備え、
前記コイルは、前記円筒状の側面及び前記円盤状の底面により形成される前記第１伝導体の凹部内において、前記コイルの中心軸方向の一方の端面が前記第１伝導体の前記底面と対向するように配置され、電磁誘導により電力を供給する給電器を構成する一次コイルであ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において、
前記樹脂の外部で前記第２伝導体に取り付けられた放熱体をさらに備え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において、
前記給電器は、地面に対して相対移動不能に固定され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において、
前記第２伝導体は、前記コイルの中心軸が通過する位置で前記第１伝導体に接続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において、
前記コイルの口出し線は、前記樹脂内で前記第２伝導体に接触し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において、
前記第１伝導体は、前記コイルと接触し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において、
前記コイルにおける一方の端面側に配置され、磁性材料で形成されたコアをさらに備え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において、
前記第１伝導体はアルミニウム、前記第２伝導体はステンレスであることを特徴とする非接触給電装置。