JP6071654B2 - コイル、受電装置、及び送電装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、コイル、受電装置、及び送電装置に関する。
近年、送電インダクタと受電インダクタ間の相互インダクタンスで無線により非接触で電力を伝送する無線電力伝送システムが、多くの機器に採用されている。無線電力伝送システムで使用される電力伝送用コイルを軽量化するために、一定間隔で配置された棒状のフェライトコアでコイルを構成することが知られている。
しかし、細長い棒状のフェライトコアを用いた場合、フェライトコアを個々に固定する枠等が必要となり、フェライトコアの固定が困難になるという問題があった。
BUDHIA et al., "Design and Optimization of Circular Magnetic Structures for Lumped Inductive Power Transfer Systems", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, NOVEMBER 2011, VOL.26, NO.11, pp.3096-3108
本発明は、軽量化し、かつコアの固定を容易化したコイル、及びこのコイルを用いた受電装置及び送電装置を提供することを目的とする。
本実施形態によれば、コイルは、磁性体コア及び巻き線を備え、前記磁性体コアは、溝又は開口部が設けられた少なくとも１つのブロックを有する。各ブロックは、前記溝又は開口部が磁束方向に沿うように配置される。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムのブロック構成を示す。無線電力伝送システムは、送電装置１と、送電装置１から電力が無線伝送される受電装置２とを備え、受電装置２は伝送された電力を電気機器の負荷２８に供給する。受電装置２は、電気機器の内部に設けられていてもよいし、電気機器と一体型に設けられていてもよいし、電気機器本体の外装に固着するようにしてもよい。例えば、電気機器は携帯端末や電気自動車であり、負荷２８は充電池である。
送電装置１は、商用電源から電力伝送用のＲＦに変換する電源部１１と、必要な電力量を制御するとともに、送電装置１の各部を制御する制御部１２と、センサ部１３と、通信部１４と、送電コイル１５とを備えている。センサ部１３は、例えば、送電装置１の発熱を監視する温度センサ、送電コイル１５と後述する受電コイル２１との間に入った異物の熱を監視する温度センサ、電磁波レーダや超音波レーダにより異物を監視するセンサ、受電コイル２１の位置を検出するためのＲＦＩＤなどのセンサ、送電電力を検出するための電流計や電圧計など送電装置１と受電装置２との間の無線電力伝送に用いるセンサが少なくとも１つ含まれる。通信部１４は、後述する受電装置２の通信部２７と通信を行うことができ、受電装置２の受電状況を受信したり、送電装置１の送電状況を送信したりする。
受電装置２は、送電装置１の送電コイル１５との相互インダクタンスにより電力を受電する受電コイル２１と、受電コイル２１と接続されるキャパシタ部２２と、キャパシタ部２２を介して受電した交流電力を直流電力に変換する整流器２３と、負荷２８の動作電圧に基づいて昇圧及び／又は降圧を行う昇降圧回路２４と、受電装置２の各部を制御する制御部２５と、センサ部２６と、通信部２７とを備えている。送電装置１側で受電電力を制御する場合は、昇降圧回路２４を省略することができる。
キャパシタ部２２は、受電コイル２１に対して、直列に接続してもよいし、並列に接続してもよい。また、キャパシタ部２２は、図２に示すように、受電コイル２１に対して並列に接続されたキャパシタ素子と直列に接続されたキャパシタ素子とを含む構成であってもよい。
センサ部２６は、例えば、受電装置２の発熱を監視する温度センサ、受電コイル２１と送電コイル１５との間に入った異物の熱を監視する温度センサ、電磁波レーダや超音波レーダにより異物を監視するセンサ、送電コイル１５の位置を検出するためのＲＦＩＤなどのセンサ、受電電力を検出するための電流計や電圧計など送電装置１と受電装置２との間の無線電力伝送に用いるセンサが少なくても１つ含まれる。通信部２７は、送電装置１の通信部１４と通信を行うことができ、受電装置２の受電状況を送信したり、送電装置１の送電状況を受信したりする。
制御部２５は、通信部２７が送電装置１との通信で取得した情報や、センサ部２６の検出結果に基づいて、受電電力（負荷２８への供給電力）を制御する。
図３（ａ）は、第１の実施形態に係るコイル１００の上面図である。また、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢印方向からみたコイル１００の側面図である。このコイル１００が、図１に示す送電コイル１５及び受電コイル２１として使用される。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、コイル１００は、磁性体コア１０２と、磁性体コア１０２に巻きつけられたコイル巻き線部１０４とを備えるソレノイドコイルである。コイル巻き線部１０４には例えば銅線を用いることができる。磁性体コア１０２は、同一平面上に配置された複数の磁性体コアブロック１１０（以下、単にブロック１１０と記載する）を有する。
図４（ａ）はブロック１１０の上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿った縦断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ブロック１１０には、互いに平行な複数の線状の溝（凹部）１１２が設けられている。ブロック１１０の材料には例えばフェライトが使用される。
図３（ａ）に示すように、溝１１２が、コイル１００に電流を流すことで発生する磁束の方向（図中縦方向）に沿うように、ブロック１１０が配置される。このようにブロック１１０を配置する効果を以下に説明する。
まず、溝が設けられていない平板状のフェライトブロックが配置された磁性体コア（溝無し磁性体コア）を有するコイルの特性について説明する。図５は、溝無し磁性体コアの比透磁率と、コイルのインダクタンス値との関係を示している。また、図６は、溝無し磁性体コアの比透磁率と、コイル間の結合係数との関係を示している。図５、図６から分かるように、比透磁率が１０００未満の範囲では、比透磁率の増加に伴い、インダクタンス値及び結合係数は大きく増加する。一方、比透磁率が１０００以上の範囲では、比透磁率の増加に伴うインダクタンス値及び結合係数の変化は小さい。すなわち、比透磁率が１０００以上の範囲においては、比透磁率を減少させても、コイルの特性を維持することができる。
次に、磁性体コアの構成と、コイルのインダクタンス値との関係について説明する。図７は、比透磁率μｒの溝無し磁性体コア２１０と、溝無し磁性体コア２１０に巻きつけられたコイル巻き線部２２０とを備えるコイル（ソレノイド）の側面図である。磁束方向は図７の左から右へ向かう方向とし、インダクタンス値はＬ０とする。また、溝無し磁性体コア２１０の磁束方向の長さをｄ１、磁束方向に直交する方向の長さをｄ２とする。
図８に示すように、磁性体コア２１０の磁束方向に直交する方向の長さをｄ２／２とした磁性体コア２１０ａと、これと同じサイズの比透磁率１のコア２１１を磁束方向に直交する方向に積層（配置）した場合、このコイルの合成インダクタンス値Ｌｔは以下の数式１に示すようになる。なお、Ｌ１は磁性体コア２１０ａによるインダクタンス値、Ｌ２はコア２１１によるインダクタンス値である。比透磁率１のコア２１１は例えば空気層である。
このように、２つの物質（磁性体コア２１０ａ及びコア２１１）の積層方向が磁束方向と直交するように、言い換えれば、２つの物質の接触面が磁束方向と平行になるようにした場合、等価的に図７に示すように、一様な磁性体が詰まったモデルに置き換えた場合の比透磁率は相加平均となる。この時の等価的な比透磁率μｒｅは以下の数式２で表される。ρｉはそれぞれの媒質の体積密度を示す。
図９に示すように、磁性体コア２１０の磁束方向の長さをｄ１／２とした磁性体コア２１０ｂと、これと同じサイズの比透磁率１のコア２１２を磁束方向に積層（配置）した場合、このコイルの合成インダクタンス値Ｌｔは以下の数式３に示すようになる。
このように、２つの物質（磁性体コア２１０ｂ及びコア２１２）の積層方向が磁束方向となるように、言い換えれば、２つの物質の接触面が磁束方向と直角をなす場合、等価的な比透磁率は調和平均となる。この時の等価的な比透磁率μｒｅは以下の数式４で表される。
図１０に示すように、磁性体コア２１０と同じ大きさで、磁性体コア２１０と同じ物質と比透磁率１の物質とを均一に混合した磁性体コア２１３を用いた場合、このコイルの合成インダクタンス値Ｌｔは以下の数式５に示すようになる。
このように、２つの物質を均一に混合した場合、等価的な比透磁率は相乗平均となる。この時の等価的な比透磁率μｒｅは以下の数式６で表される。
図８〜図１０に示すような構成のコイルについて、コア全体における比透磁率μｒの材料（例えばフェライト）の充填率（割合）と等価比透磁率との関係を図１１に示す。また、図１２にフェライト充填率とインダクタンス値との関係を示す。また、図１３にフェライト充填率と結合係数との関係を示す。
図１１から、図９に示す構成では、フェライト充填率の減少に伴い、等価比透磁率が指数関数的に減少することがわかる。そのため、図１２、図１３に示すように、フェライト充填率の減少に伴い、インダクタンス値や結合係数が低下する。
また、図１０に示す構成では、フェライト充填率が１００％から僅かに減少しただけで、等価比透磁率がほぼ０まで急激に減少する。そのため、図１２、図１３に示すように、フェライト充填率が１００％から僅かに減少しただけで、インダクタンス値や結合係数が大きく低下する。
一方、図８に示す構成では、フェライト充填率の減少に伴い、等価比透磁率が比例直線的に減少する。図８に示す構成は、図９や図１０に示す構成と比較して、フェライト充填率の減少に伴う等価比透磁率の減少を抑えることができる。例えば、図８に示す構成の場合、フェライト充填率を５０％にしても、比透磁率は１０００以上である。上述したように、比透磁率が１０００以上の範囲においては、比透磁率を減少させても、コイルの特性を維持することができる（図５、図６参照）。そのため、図１２、図１３に示すように、フェライト充填率を５０％に減少させても、インダクタンス値や結合係数の低下を抑制できる。
従って、図３（ａ）に示すように、溝１１２が設けられたブロック１１０を使用することで、磁性体コア１０２の体積を減らし、軽量化することができる。また、溝１１２が磁束方向に沿うように（平行となるように）ブロック１１０を配置することで、コイルの特性の劣化を防止できる。図１２、図１３に、溝１１２を設けて磁性体コアの体積を（溝無しコアの）５０％程度にした場合のインダクタンス値及び結合係数を、黒色四角形マーカでプロットしている。
また、細長い棒状のフェライトを使用する場合は各フェライトを固定する枠等が必要となるが、ブロック１１０を使用する場合は、ブロック１１０を敷き詰めるだけで容易に固定することができる。
このように本実施形態によれば、コイルを軽量化し、フェライトの固定を容易化し、かつ特性の劣化を防止することができる。
上述した溝１１２が設けられたブロック１１０は、例えば、凹凸構造を有する型に磁性体材料を入れ、焼成することで製造することができる。
上記第１の実施形態では、図４に示すように、ブロック１１０が正方形をなし、溝１１２が正方形の辺に平行となるように設けられていたが、磁束の方向に応じて、図１４（ａ）に示すように、正方形の辺に対して斜めに（正方形の対角線方向に沿って）溝１１２を設けてもよい。また、図１４（ｂ）に示すように、溝１１２を太くしてもよい。また、図１４（ｃ）に溝１１２の形状は長方形でなくてもよい。また、図１４（ｄ）、（ｅ）に示すように、図１４（ａ）の複数の溝１１２を結合した構成としてもよい。
ブロック１１０の形状は正方形に限定されず、例えば、図１５に示すように、長方形をなしていてもよい。また、ブロック１１０はひし形でもよい。また、図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、ブロック１１０は正三角形等の三角形をなしていてもよい。また、図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、ブロック１１０は正六角形等の六角形をなしていてもよい。また、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、ブロック１１０は正八角形等の八角形をなしていてもよい。
ブロック１１０に設けられる溝１１２の深さ、幅、数は、要求されるコイルの特性や重さによって任意に決めることができる。
また、ブロック１１０に設けられる溝１１２を開口部としてもよい。
磁性体コア１０２を構成するブロックは全て溝１１２が設けられたブロック１１０としてもよいし、磁性体コア１０２の一部を溝１１２が設けられていないブロックで構成してもよい。
また、溝１１２が設けられたブロック１１０と比較して、溝１１２が設けられていないブロックはコアロスが小さいため発熱が少ない。従って、熱による影響を避けることが求められる部品の周辺には、溝１１２が設けられていないブロックを配置して発熱を抑えることが好ましい。
（第２の実施形態）図１９は第２の実施形態に係るコイルの概略構成を示す。このコイルは、図１に示す送電コイル１５及び受電コイル２１に使用される。
図１９に示すように、コイルは、磁性体コア１２２と、磁性体コア１２２の一面上に設けられたコイル巻き線部１２４とを備えるスパイラルコイルである。磁性体コア１２２は、同一平面上に配置された複数の磁性体コアブロック１３０Ａ、１３０Ｂ（以下、単にブロック１３０Ａ、１３０Ｂと記載する）を有する。説明の便宜上、コイル巻き線部１２４については、内周部及び外周部を破線で図示するのみとしている。
上記第１の実施形態におけるブロック１１０と同様に、ブロック１３０Ａ、１３０Ｂには線状の溝（凹部）１３２が設けられている。ブロック１３０Ａ、１３０Ｂの材料には例えばフェライトが使用される。
本実施形態によるコイルは、上記第１の実施形態のコイル１００と異なり、磁束方向が一方向に限られない。そのため、本実施形態では、図１９に示すように、縦に溝１３２が設けられた正方形のブロック１３０Ａと、斜めに溝１３２が設けられた正方形のブロック１３０Ｂの２種類のブロックを使用し、溝１３２が磁束方向に沿うようにブロック１３０Ａ、１３０Ｂが配置される。
溝１３２が設けられたブロック１３０Ａ、１３０Ｂを使用することで、磁性体コア１２２の体積を減らし、軽量化することができる。また、溝１３２が磁束方向に沿うようにブロック１３０Ａ、１３０Ｂを配置することで、コイルの特性の劣化を防止できる。また、ブロック１３０Ａ、１３０Ｂを使用することで、細長い棒状のフェライトを使用する場合よりも、磁性体コアの強度を高めることができる。
このように本実施形態によれば、コイルを軽量化しつつ、強度及び特性の劣化を防止することができる。
図１９では、コイル巻き線部１２４の中心に位置するブロックを、縦に溝１３２が設けられたブロック１３０Ａとしていたが、図２０に示すように斜めに溝１３２が設けられたブロック１３０Ｂを用いてもよいし、図２１に示すように、方向性のない溝（例えば正方形の凹部）が設けられたブロック１４０を用いてもよい。
上記第２の実施形態において、図２２に示すように、磁性体コアの一部の領域に溝無しブロック１５０を配置してもよい。これにより、コイルの重心位置を任意に調整することができる。
上記第１及び第２の実施形態において、磁束が集中する箇所と、磁束が集中しない箇所とで、充填率が異なる（溝１１２、１３２の大きさや深さが異なる）ブロックを配置するようにしてもよい。図２３〜２６は充填率の異なるブロックの例を示している。例えば、磁束が集中する箇所には、充填率が高いブロック、言い換えれば溝の大きさや深さが小さいブロックを配置することが好ましい。また、磁束が集中しない箇所には、充填率が低いブロック、言い換えれば溝の大きさや深さが大きいブロックを配置することが好ましい。
また、上記第１及び第２の実施形態において、磁性体コア１０２、１２２に、図２７（ａ）〜（ｄ）に示すような、方向性のない溝（例えば正方形の凹部）１７０が設けられたブロックが含まれていても良い。
図２８（ａ）、（ｂ）に示すように、磁性体コア１２２の一部を省略し、対向配置した場合に磁性体コアの存在する領域が重複しないような２つのコイルを準備し、一方を送電コイル１５に適用し、他方を受電コイル２１に適用してもよい。これにより、送電コイル１５と受電コイル２１が位置ずれした場合に、結合係数の変動を抑制する事ができる。
上記第１及び第２の実施形態において、図２９（ａ）（ｂ）に示すように、コイル１００は導体板３００を備えていてもよい。図２９（ａ）は、コイル１００の上面図である。また、図２９（ｂ）は図２９（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った縦断面図である。導体板３００は、例えばアルミ板や銅板等の金属板である。
上記実施形態において磁性体コア１０２、１２２は、複数の磁性体コアブロック１１０、１３０Ａ、１３０Ｂを備えていたが、磁性体コア１０２、１２２を、互いに平行な複数の線状の溝（凹部）が設けられた単一の磁性体コアブロックで構成してもよい。磁性体コア１０２、１２２を単一の磁性体コアブロックで構成することで、コアの固定をさらに容易化することができる。図３０に、第１の実施形態による磁性体コア１０２を単一の磁性体コアブロック４００で構成した例を示す。磁性体コアブロック４００に設けられた溝４１０は、コイル１００に電流を流すことで発生する磁束の方向（図中縦方向）に沿っている。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１ 送電装置
２ 受電装置
１５ 送電コイル
２１ 受電コイル
１００ コイル
１０２ 磁性体コア
１０４ コイル巻き線部
１１０ 磁性体コアブロック
１１２ 溝
２ 受電装置
１５ 送電コイル
２１ 受電コイル
１００ コイル
１０２ 磁性体コア
１０４ コイル巻き線部
１１０ 磁性体コアブロック
１１２ 溝
Claims (20)
- 磁性体コア及び巻き線を備えるコイルであって、
前記磁性体コアは、溝又は開口部が設けられた、磁性体部分が連続している少なくとも１つのブロックを有し、
各ブロックは、前記溝又は開口部が磁束方向に沿うように配置されることを特徴とするコイル。 - 各ブロックには溝又は開口部が複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
- 前記巻き線は前記磁性体コアに巻きつけられており、
各ブロックの形状は四角形であり、前記溝又は開口部が前記四角形の一辺に平行に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコイル。 - 前記巻き線は前記磁性体コアの一面上に配置され、
前記磁性体コアは、四角形の形状をなす第１ブロック及び第２ブロックを有し、
前記第１ブロックは、前記溝又は開口部が前記四角形の一辺に平行に設けられ、
前記第２ブロックは、前記溝又は開口部が前記四角形の一辺に対し斜めに設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコイル。 - 前記磁性体コアは、溝及び開口部が設けられていない第３ブロックをさらに有することを特徴とする請求項４に記載のコイル。
- 前記磁性体コアは、四角形の溝又は開口部が設けられた第４ブロックをさらに有することを特徴とする請求項４又は５に記載のコイル。
- 前記磁性体コアは、前記溝又は開口部の大きさが異なる前記第１ブロック及び第２ブロックを有する請求項４乃至６のいずれかに記載のコイル。
- 前記ブロックの形状は、正三角形、正方形、正六角形、又は正八角形であることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
- 導体板をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
- 送電装置から相互インダクタンスにより無線で電力を受電する受電コイルと、
前記受電コイルに接続されるキャパシタ部と、
前記キャパシタ部を介して受電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、
前記送電装置と送電状況又は受電状況を通信する通信部と、
受電電力の検出、異物の検出、温度の検出の少なくとも１つを行うセンサ部と、
前記通信部の受信情報又は前記センサ部の検出結果に基づいて、受信電力を制御する制御部と、
を備える受電装置であって、
前記受電コイルは、磁性体コア及び巻き線を備え、
前記磁性体コアは、溝又は開口部が設けられた、磁性体部分が連続している少なくとも１つのブロックを有し、
前記複数のブロックは、前記溝又は開口部が磁束方向に沿うように配置されることを特徴とする受電装置。 - 各ブロックには溝又は開口部が複数設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の受電装置。
- 前記巻き線は前記磁性体コアに巻きつけられており、
各ブロックの形状は四角形であり、前記溝又は開口部が前記四角形の一辺に平行に設けられていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の受電装置。 - 前記巻き線は前記磁性体コアの一面上に配置され、
前記磁性体コアは、四角形の形状をなす第１ブロック及び第２ブロックを有し、
前記第１ブロックは、前記溝又は開口部が前記四角形の一辺に平行に設けられ、
前記第２ブロックは、前記溝又は開口部が前記四角形の一辺に対し斜めに設けられていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の受電装置。 - 前記磁性体コアは、溝及び開口部が設けられていない第３ブロックをさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の受電装置。
- 前記磁性体コアは、四角形の溝又は開口部が設けられた第４ブロックをさらに有することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の受電装置。
- 高周波電源を供給する電源部と、
前記電源部からの電力を、受電装置に対して相互インダクタンスにより無線で送電する送電コイルと、
前記受電装置と送電状況又は受電状況を通信する通信部と、
送電電力の検出、異物の検出、温度の検出の少なくとも１つを行うセンサ部と、
前記通信部の受信情報又は前記センサ部の検出結果に基づいて、送電電力を制御する制御部と、
を備える送電装置であって、
前記送電コイルは、磁性体コア及び巻き線を備え、
前記磁性体コアは、溝又は開口部が設けられた、磁性体部分が連続している少なくとも１つのブロックを有し、
各ブロックは、前記溝又は開口部が磁束方向に沿うように配置されることを特徴とする送電装置。 - 前記巻き線は前記磁性体コアに巻きつけられており、
各ブロックの形状は四角形であり、前記溝又は開口部が前記四角形の一辺に平行に設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の送電装置。 - 前記巻き線は前記磁性体コアの一面上に配置され、
前記磁性体コアは、四角形の形状をなす第１ブロック及び第２ブロックを有し、
前記第１ブロックは、前記溝又は開口部が前記四角形の一辺に平行に設けられ、
前記第２ブロックは、前記溝又は開口部が前記四角形の一辺に対し斜めに設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の送電装置。 - 前記磁性体コアは、溝及び開口部が設けられていない第３ブロックをさらに有することを特徴とする請求項１８に記載の送電装置。
- 前記磁性体コアは、四角形の溝又は開口部が設けられた第４ブロックをさらに有することを特徴とする請求項１８又は１９に記載の送電装置。
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