JP6164365B2 - 非接触給電用コイル - Google Patents
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Description
本発明は、非接触で電力の授受を行う非接触給電用コイルに関する。
下記特許文献1には、地上に配置した送電側コイルから自動車の車体の下面に搭載した受電側コイルに、電磁誘導作用により電力供給するようにした技術が開示されている。その際、送電側コイルや受電側コイルは、平板形状の磁性体にコイルを巻いたソレノイド型と呼ばれるコイルを使用している。
ところで、車載された受電側コイルに効率的に給電を行うためには、受電側コイルを地上側の送電側コイルに対して位置合わせする必要が生じる。この位置合わせを容易にするべく、車幅方向の送受電各コイル相互間のずれ量の許容量を増やすには、磁束が発生するコイル(磁性体)の幅を広げればよいが、その場合には磁性体が大きくなることで重量増を招く。
そこで、本発明は、コイルの重量増しを抑えつつ受電側コイルと送電側コイルとの位置合わせを容易なものとすることを目的としている。
本発明は、環状の導電線の中に配置される磁性体が、磁性体に導電線を巻いたコイルのコイル軸方向と交差するコイル軸交差方向に沿って複数に分割され、この分割される複数の分割磁性体相互間に、コイル軸方向に沿って延びる隙間を備える非接触給電用コイルとしている。
本発明は、磁性体をコイル軸交差方向に沿って複数に分割した分割磁性体相互間に、コイル軸方向に沿って延びる隙間を設けることで、磁性体全体の重量を抑えつつ、コイル軸交差方向のコイルの幅を広く確保している。コイル幅を広く確保することで、受電側コイルと送電側コイルとの位置合わせが容易となり、かつ、分割磁性体相互間に隙間を有する分重量増しを抑えることができる。
非接触給電では、一次側コイルと二次側コイルとの間で形成される総磁束量は、両コイル相互間のエアギャップが磁気抵抗として働くため、トランスに比較して少ない。一方、磁性体内を流れる磁束は、コイル軸方向に向かうことになるが、総磁束量がもともと少ない非接触給電では、コイル軸方向に沿って延びる隙間を設けて磁路を多少減少させたとしても、性能(自己インダクタンスと結合係数)には大きな影響はない。逆に、磁性体をコイル軸方向に沿って複数に分割し、隙間をコイル軸交差方向に沿って延びるようにした場合には、磁束が流れる方向(磁路)に隙間が存在することになり、この隙間がエアギャップとなって磁気抵抗が増大し、大きな損失を招くことになる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1に示す本実施形態の非接触給電用コイルを備える非接触給電装置は、地上側ユニットである送電装置1と、車両側ユニットである受電装置3とを備えている。この非接触給電装置は、図示しない送電スタンド等に配置される送電装置1から電気自動車やハイブリッド車に代表される車両5に搭載される受電装置3に非接触で電力を供給し、車載されたバッテリ7を充電する。送電装置1は非接触送電装置を構成し、受電装置3は非接触受電装置を構成する。なお、図1中のWfは前輪、Wrは後輪であり、矢印FRで示す方向が車両前方側である。
送電装置1は、地上における送電スタンド近傍の駐車スペース9に配置した送電部となる送電側コイル11を備える。一方、受電装置3は、車両5を駐車スペース
9の規定の位置に止めたときに、送電側コイル11に対向するように車両5の底面5aに設けた受電部となる受電側コイル13を備える。送電側コイル11及び受電側コイル13は、いずれも導電線からなるコイルを主体としている。送電側コイル11と受電側コイル13との間における電磁誘導作用により、送電側コイル11から受電側コイル13へ非接触で電力を供給可能となる。
9の規定の位置に止めたときに、送電側コイル11に対向するように車両5の底面5aに設けた受電部となる受電側コイル13を備える。送電側コイル11及び受電側コイル13は、いずれも導電線からなるコイルを主体としている。送電側コイル11と受電側コイル13との間における電磁誘導作用により、送電側コイル11から受電側コイル13へ非接触で電力を供給可能となる。
地上側の送電装置1は、電力制御部15と、上記した送電側コイル11と、無線通信部17と、制御部19とを備えている。電力制御部15は、交流電源21から送電される交流電力を、高周波の交流電力に変換し、送電側コイル11に送電するための回路で、整流部23と、PFC回路25と、インバータ27と、センサ29とを備える。
整流部23は、交流電源21に電気的に接続され、交流電源21からの出力交流電力を整流する回路である。PFC回路25は、整流部23からの出力波形を整形することで力率を改善するための回路(Power Factor Correction)であり、整流部23とインバータ27との間に接続されている。無線通信部17は、車両5側に設けられた無線通信部31と双方向に通信を行う。
制御部19は、送電装置1の全体を制御する部分であり、無線通信部17,31間の通信により送電装置1からの電力供給を開始する旨の信号を車両5側に送信したり、車両5側から送電装置1からの電力を受給したい旨の信号を受信したりする。制御部19は、この他に、センサ29の検出電流に基づいてインバータ27のスイッチング制御を行い、送電側コイル11から送電される電力を制御する。また、送電中に異物センサ33からの検出信号に基づいて、送電停止を行い、あるいは無線通信部17,31を通じて車両5側に警告信号を送信する。
異物センサ33として、例えば金属検知コイルが用いられる。異物センサ33は、送電中に送電側コイル11と受電側コイル13との間に形成される磁場に金属異物が侵入、あるいは介在した場合に、異物を検知する。その際、異物センサ33の検出電気信号により、制御部19が直ちに警告あるいは送電停止を促して、金属異物の磁場介在に起因する送電不良等の不具合の発生を未然に抑える。
車両5側の受電装置3は、前述したバッテリ7、受電側コイル13及び無線通信部31と、充電制御部35と、整流部37と、リレー部39と、インバータ41と、モータ43と、通知部45とを備えている。受電側コイル13は、車両5が駐車スペース9の規定の停止位置に駐車すると、送電側コイル11の直上に正対し、該送電側コイル11と距離を保って位置づけられる。
整流部37は、受電側コイル13に接続され、受電側コイル13で受電された交流電力を直流に整流する整流回路により構成されている。リレー部39は、充電制御部35の制御によりオン及びオフが切り換わるリレースイッチを備えている。また、リレー部39は、リレースイッチをオフにすることで、バッテリ7を含む主回路系と、充電の回路部となる受電側コイル13および整流部37とを切り離す。
バッテリ7は、複数の二次電池を接続することで構成され、車両5の電力源となる。インバータ41は、IGBT等のスイッチング素子を有するPWM制御回路等の制御回路であって、スイッチング制御信号に基づいて、バッテリ7から出力される直流電力を交流電力に変換し、モータ43に供給する。モータ43は、例えば三相の交流電動機により構成され、車両5を駆動させるための駆動源となる。通知部45は、警告ランプ、ナビゲーションシステムのディスプレイまたはスピーカ等により構成され、充電制御部35による制御に基づいて、ユーザに対して光、画像または音声等を出力する。
充電制御部35は、バッテリ7の充電を制御するためのコントローラであり、無線通信部31、通知部45、リレー部39等を制御する。充電制御部35は、充電を開始する旨の信号を、無線通信部31,17の通信により制御部19に送信する。また、充電制御部35は、車両5の全体を制御する図示しないコントローラとCAN通信網で接続されている。このコントローラは、インバータ41のスイッチング制御や、バッテリ7の充電状態(SOC)を管理する。そして、充電制御部35は、このコントローラにより、バッテリ7の充電状態に基づいて満充電に達した場合に、充電を終了する旨の信号を制御部19に送信する。
本実施形態の非接触給電装置では、送電側コイル11と受電側コイル13との間で、電磁誘導作用により非接触状態で高周波電力の送電及び受電を行う。言い換えると、送電側コイル11に電圧が加わると、送電側コイル11と受電側コイル13との間には磁気的な結合が生じ、送電側コイル11から受電側コイル13へ電力が供給される。
送電側コイル11及び受電側コイル13は、いずれもソレノイド型のコイルであって、図2の簡素化した平面図で示すように、磁性体としての磁性体コア47と、磁性体コア47に対して環状に巻かれる導電線としてのコイル線49とを備えている。すなわち、送電側コイル11及び受電側コイル13は、環状に巻かれるコイル線49と、環状のコイル線49の中に配置される磁性体コア47と、を備えている。磁性体コア47は、例えばフェライトで構成される。
以下、本実施形態では、送電側コイル11及び受電側コイル13を、非接触給電用コイル10として説明する。ここで、図2に示す非接触給電用コイル10は、環状に巻かれたコイル線49の環状部分の中心軸線に対応するコイル軸Pが、図1における車両前後方向となるように配置される。すなわち、図2において、コイル軸Pの延長方向が車両前後方向に対応しており、図2中で紙面に直交する方向が車両上下方向に対応する。
このような非接触給電用コイル10は、磁性体コア47が、図2中で上下方向に対応する車幅方向に沿って複数(図2では7個)に分割され、複数の分割磁性体コア47aで構成されている。すなわち、本実施形態では、磁性体コア47は、該磁性体コア47にコイル線49を巻いたコイルのコイル軸方向Xと交差するコイル軸交差方向Yに沿って複数に分割されている。コイル軸方向Xとコイル軸交差方向Yとが交差するとは、コイル軸方向Xとコイル軸交差方向Yとが互いに直交する場合を含む。
そして、複数の分割磁性体コア47a相互間には、コイル軸方向Xに沿って連続して延びる隙間Cが、磁気的隙間として設けられている。ここでの複数の分割磁性体コア47aは、形状が互いに同一であり、コイル軸方向Xに対して平行に延在する偏平の板状部材で構成される。また、複数の隙間Cについても、コイル軸交差方向Yの幅が同一であって形状が互いに同一であり、コイル軸方向Xに対して平行に直線状に形成されている。
非接触給電用コイル10は、磁性体コア47のコイル軸交差方向Yの幅Wに関し、隙間を設けずに一つの磁性体コアとした場合(複数の分割体磁性体としない)に対し、幅Wを同等とすれば、隙間Cを設けた分軽量化できる。別な言い方をすれば、図1における送電側コイル11と受電側コイル13との位置合わせを容易にするべく、車幅方向の送受電各コイル11,13相互間のずれ量の許容量を増やすために、幅Wを大きくしても、隙間Cを設けることで軽量化を達成できる。
非接触給電では、一次側コイルと二次側コイルとの間で形成される総磁束量は、両コイル相互間のエアギャップが磁気抵抗として働くため、トランスに比較して少ない。一方、磁性体内を流れる磁束は、コイル軸方向Xに向かうことになるが、総磁束量がもともと少ない非接触給電では、図2のようにコイル軸方向Xに沿って延びる隙間Cを設けて磁路を多少減少させたとしても、性能(自己インダクタンスLと結合係数k)には大きな影響はない。
比較例として、本実施形態とは逆に、磁性体をコイル軸方向Xに沿って複数に分割し、隙間をコイル軸交差方向Yに沿って延びるようにした場合には、磁束が集中して流れる方向(磁路)に隙間が存在することになる。この場合には、隙間がエアギャップとなって磁気抵抗が増大し、磁束が流れにくくなってコイルとして大きな損失を招く。なお、エアギャップは、比透磁率がフェライトの二千分の1以下程度であり、エアギャップの磁気抵抗はフェライトに比較して極めて大きい。また、磁性体の形状として、上記比較例のように、本実施形態に対して磁束の流れる方向の長さが短いと、磁性体内で発生する反磁界も増大する。反磁界は、磁束の流れる方向に対して磁性体が短くなるほど増大して磁気抵抗を上げる要因となる。
したがって、本実施形態のように、磁性体コア47が、コイル軸交差方向Yに沿って複数に分割され、この分割される複数の分割磁性体コア47a相互間に、コイル軸方向Xに沿って延びる隙間Cを備えることが有効である。すなわち、磁性体コア47にコイル軸方向Xに沿って延びる隙間Cを設けることで、自己インダクタンスL、結合係数kを確保しつつ、軽量化及び、磁性体コア47の外径寸法を確保して送電側コイル11と受電側コイル13との位置合わせの容易性を達成できる。
図3は、本実施形態(a)と比較例(b)とを、分割磁性体コア47aを二つとして簡略化して示している。これら本実施形態(a)及び比較例(b)における隙間Cの幅寸法CWとコイルの自己インダクタンスLとの関係を図4に示している。本実施形態(a)はコイル軸方向Xに沿って隙間Cが形成され、比較例(b)はコイル軸交差方向Yに沿って隙間Cが形成されている。
図4によれば、比較例(b)では、隙間Cの幅寸法CWが大きくなるに従って自己インダクタンスLが減少している。しかし、本実施形態(a)では、隙間Cの幅寸法CWが大きくなっても、自己インダクタンスLは大きく減少することはなくほぼ一定に保たれている。
図5は、本実施形態における隙間Cの数と、自己インダクタンスL及び結合係数kとの関係を示している。図5では、隙間Cの数が0個(隙間なし)から20個まで示しているが、自己インダクタンスL及び結合係数k共に、隙間Cの数が増えても、また、隙間なしの場合に比較しても、大きく減少することはなくほぼ一定に保たれている。したがって、図2のように、例えば分割磁性体コア47aを7個として隙間Cを6個設けても、自己インダクタンスL及び結合係数kに大きな影響はなく、コイルの性能を維持できる。
また、本実施形態では、隙間Cをコイル軸方向Xと平行な直線状としている。このため、例えば隙間Cをコイル軸方向Xに沿う曲線とした場合に比較して、磁束の流れる方向に対してエアギャップが存在しにくくなり、磁気抵抗がより低減する。また、隙間Cをコイル軸方向Xと平行とすることで、分割磁性体コア47aの形状も直線状となり、セラミックスなどで形成される分割磁性体コア47aの製造時での成形性が高まり、製品の歩留まり向上も達成できる。
図6、図7は、複数の分割磁性体コア47aを7個とした場合での各種例を示している。図6(a)は、図2に対応する例で、分割磁性体コア47aが、コイル軸交差方向Yの幅が同一で、隙間Cの幅寸法CWも同一である。この場合には、複数の分割磁性体コア47aは、コイル軸方向X及びコイル軸交差方向Yにそれぞれ直交する方向の厚さも同一であって形状が互いに同一である。同一形状の分割磁性体コア47aを複数作成することによって、製造コストを低減できる。
図6(a)の例において、磁束密度(平均磁束密度)Bは、図8(a)に示すように、端効果の影響によってコイル軸交差方向Yの中央よりも外側ほど高い。特に、最も外側に位置する1番と7番の分割磁性体コア47aの磁束密度Bが突出して高い。磁束密度Bが高いと、図10(a)に示すように、発熱密度も高くなってコイルの損失も大きくなる。このような磁束密度分布をより均一化するべく対応したのが図6(b)、図7(a)、(b)の例である。図6(b)、図7(a)、(b)の例は、コイル軸交差方向Yの外側における磁路を増やすことで磁束密度Bを全体として均一化しようとするものである。
図6(b)は、複数の分割磁性体コア47aのコイル軸交差方向Yの幅が同一である(厚さも同一)が、隙間Cの幅寸法CW(以下、単に「隙間Cの大きさ」と呼ぶこともある)をコイル軸交差方向Yの中央よりも外側ほど小さくした例である。つまり、中央に位置する4番の分割磁性体コア47aの両側一対(二つ)の隙間Cが最も大きく、それより外側ほど隙間Cが小さくなっている。なお、中央4番の分割磁性体コア47aの両側一対(二つ)の隙間Cを最も大きくし、この二つの隙間Cよりも小さいその外側の四つの隙間Cを互いに同一の大きさとしてもよい。
図7(a)は、図6(b)とは逆に、複数の隙間Cの幅寸法CWは同一であるが、複数の分割磁性体コア47aのコイル軸交差方向Yの幅をコイル軸交差方向Yの中央よりも外側で大きくした例である。この例は、コイル軸交差方向Yの最も外側に位置する一対(二つ)の1番、7番の分割磁性体コア47aのコイル軸交差方向Yの幅を、他の五つの分割磁性体コア47aの同幅より大きくしている。他の五つの分割磁性体コア47aコイル軸交差方向Yの幅は互いに同一である。
図7(b)は、図6(b)と図7(a)とを組み合わせた例である。つまり、複数の隙間Cの大きさをコイル軸交差方向Yの中央よりも外側ほど小さくし、かつ、複数の分割磁性体コア47aのコイル軸交差方向Yの幅をコイル軸交差方向Yの中央よりも外側で大きくしている。具体的には、図6(b)と同様に、中央に位置する4番分割磁性体コア47aの両側一対(二つ)の隙間Cが最も大きく、それより外側ほど隙間Cが小さくなっている。さらに、図7(a)と同様に、コイル軸交差方向Yの最も外側に位置する一対(二つ)の1番、7番の分割磁性体コア47aのコイル軸交差方向Yの幅を、他の五つの分割磁性体コア47aの同幅より大きくしている。
図6(b)、図7(a)、(b)の例のようにして、コイル軸交差方向Yの外側での磁路を増大させることで、磁束密度Bについては図8(b)、図9(a)、(b)にそれぞれ示すようなる。すなわち、磁束密度Bに関し、図6(b)、図7(a)、(b)の例では、図8(a)に比較して、特に最も外側の1番、7番の分割磁性体コア47aで減少する一方、中央側の3〜5番の分割磁性体コア47aで増大し、全体としてより均一化している。
このような磁束密度Bの変化に対応して、発熱密度についても、図10(b)、図11(a)、(b)にそれぞれ示すように、図10(a)に比較してより平均化する。
上記したように、磁束密度Bは磁束交差方向Yの外側部分が中央部分に比較して高くなる。このため、磁束密度Bの高い外側部分の分割磁性体コア47aに関し、中央部分に比較して、隙間Cを小さくしたり、幅を大きくすることで、磁路が増大し、自己インダクタンスL及び結合係数kをより高く維持することができる。
なお、磁束密度Bの高い外側部分の分割磁性体コア47aに関し、中央部分に比較して、幅を大きくする代わりに厚さを厚くしてもよい。すなわち、複数の分割磁性体コア47aは、コイル軸交差方向Yの中央よりも外側がコイル軸方向X及びコイル軸交差方向Yにそれぞれ直交する方向の厚さが厚いものとしてもよい。
分割磁性体コア47aの幅を大きくしたり、厚さを厚くすることは、分割磁性体コア47aのコイル軸方向Xの投影面積、すなわち磁束の通る面積、が大きいことを意味する。換言すれば、コイル軸交差方向Y及び上下方向(X及びYにそれぞれ直交する方向)を含む平面で切った断面積が大きいことになる。図12は、図6(a)、(b)、図7(a)、(b)及び、厚さを厚くした場合に対応するそれぞれの上記投影面積を示す断面図である。ただし、分割磁性体コア47aの数を5個としている。
図6(a)、(b)、図7(a)、(b)及び、厚さを厚くした場合のそれぞれの分割磁性体コア47aの総断面積Sは同等である。このような総断面積Sは、次式によって決定する。ただし、L:インダクタンス値、I:電流値、N:巻き数、B:磁束密度である。ここで、L,I,Nは、コイル設計により決まるので一定であり、磁束密度Bは、170mT以下とする。
S=L×I/(N×B)
隙間Cの数(分割磁性体コア47aの数)と、総磁束φ(=B×S)との関係は、隙間Cの数を増やし(隙間Cの幅寸法CWは一定)、総断面積Sを減らすと、各分割磁性体コア47aの磁束密度が高くなり、損失が増大する。このため、総隙間を一定以下(総断面積Sを一定以上)にすることで、総磁束φを確保できる。総断面積Sを一定以上にすることは、体積を一定以上にすることも含まれる。すなわち、複数の分割磁性体コア47aは、コイル軸交差方向Yの中央よりも外側が体積が大きいものとしてもよい。
隙間Cの数(分割磁性体コア47aの数)と、総磁束φ(=B×S)との関係は、隙間Cの数を増やし(隙間Cの幅寸法CWは一定)、総断面積Sを減らすと、各分割磁性体コア47aの磁束密度が高くなり、損失が増大する。このため、総隙間を一定以下(総断面積Sを一定以上)にすることで、総磁束φを確保できる。総断面積Sを一定以上にすることは、体積を一定以上にすることも含まれる。すなわち、複数の分割磁性体コア47aは、コイル軸交差方向Yの中央よりも外側が体積が大きいものとしてもよい。
なお、上記した実施形態では、隙間Cがコイル軸方向Xと平行な直線状としているが、平行でなく、コイル軸方向Xに対して多少傾斜する直線状としてもよい。また、隙間Cは、直線状でなく、コイル軸方向Xに沿って曲線状や波形状、あるいはジグザグ形状でもよい。
また、上記した実施形態では、各分割磁性体コア47aが、図2、図6に示すようにコイル軸方向Xに沿って長い形状となっている。しかし、この長い形状のものをコイル軸方向Xに沿って複数に分割し、車両上下方向から見た平面視で正方形あるいは長方形状となるようなブロック状に形成してもよい。この場合には、各単位ブロックをコイル軸方向Xに沿って並べて配置し、隣接するもの同士を互いに密着させて、隙間が発生しないようにする。なお、単位ブロック同士の間に、振動や熱収縮などを考慮して小さな隙間を設けることもあるが、単位ブロック同士を充分に近接配置することで、磁気抵抗の増加を抑えるので、上記小さな隙間は磁気抵抗が大きい「磁気的隙間」とはならない。
分割磁性体コア47aをブロック状とすることで、同一形状の単位ブロックを非接触給電用コイルの大きさや形状に応じて配置できるので、長尺のものに比較して汎用性が高く安価な磁性体コアを使用でき、部品コストを抑えることができる。
前述したように、非接触給電用コイル10は、磁性体コア47が、磁性体コア47にコイル線49を巻いたコイルのコイル軸方向Xと交差するコイル軸交差方向Yに沿って複数に分割されている。そして、複数の分割磁性体コア47a相互間には、コイル軸方向Xに沿って延びる隙間Cが、磁気的隙間として設けられている。
上記隙間Cを磁性体コア47に設けてあると、隙間Cがない場合に比較して、磁性体コア47をコイルケースに収容するなどしてコイルユニットとして図1のように地上に配置したり、車両に搭載した場合に、強度や剛性をより考慮する必要がある。以下に、そのコイルユニットの強度や剛性をより考慮した具体的な構造例を説明する。
図13〜図17は、非接触給電用コイル10として、地上に設置する送電側コイル11の送電側コイルユニットCU1を示す。なお、図13〜図17は、図6に対し、コイル軸方向Xとコイル軸交差方向Yとが、互いに逆方向となるよう図示してある。また、図13〜図17のコイルユニットCU1は、図6(b)の分割磁性体コア47aの幅が同一で、隙間Cの幅寸法CWが外側ほど小さい例に対応している。
複数の分割磁性体コア47aで構成される磁性体コア47は、隙間Cを設けた状態で図14〜図16に示す平板状のコアベース51上に配置し、上ボビン53と下ボビン55とを有するコイルボビン57内に収容している。上ボビン53、下ボビン55及びコアベース51は、ガラス繊維織布を基材としたガラス繊維強化プラスチック(GFRP)で構成している。コイルボビン57の外側にコイル線49が巻かれている。コイルボビン57は、さらに例えば金属製の底板59と樹脂カバー61とを有するハウジング63内に収容している。また、下ボビン55と底板59との間には絶縁板65を配置している。上ボビン53が上壁を、下ボビン55が下壁をそれぞれ構成し、コイルボビン57がケースを構成している。
次に、送電側コイルユニットCU1における各部材について詳細に説明する。図16に示すように、コアベース51は、隙間Cに対応する位置に、上ボビン53に向けて突出する補強部としての突起51aを設けている。突起51aは、隙間Cの幅寸法CWに対応するコイル軸交差方向Yの幅を有し、隙間Cを埋めるようにしてコイル軸方向Xに向けて延在している。突起51aのコイル軸方向Xの長さは、分割磁性体コア47aの同方向の長さと同等である。なお、図20(a)にコアベース51の全体を示し、図20(b)に図20(a)のコアベース51に分割磁性体コア47aを配置した状態を示している。
突起51aは、幅寸法CWが最も大きい隙間Cに対応する中央二箇所については、上壁51a1と、二つの側壁51a2,51a3と、側壁51a2,51a3相互間の上壁51a1から下方に向けて延びる中央壁51a4とを備えている。これら中央二箇所の突起51aの外側に位置する二つの突起51aは、上壁51a1と、二つの側壁51a2,51a3とを備えている。さらにその外側の最も狭い隙間Cに対応する二つの突起51aは、1枚の板状に形成している。
各突起51aの上壁51a1の上面などの上端面は、図15、図20(b)に示すように分割磁性体コア47aの上端面とほぼ同一面となっている。また、幅寸法CWが最も大きい隙間Cに対応する中央二箇所の突起51aの中央壁51a4は、下端がコアベース51の底面51bの下面とほぼ同一面である。
コアベース51は、分割磁性体コア47aを載置固定する底面51bに対し、周囲四方の外周縁が上方に向けて屈曲する外周フランジ部51cを備えている。この外周フランジ部51cを、図14に示すように上ボビン53と下ボビン55とのそれぞれの外周縁部によって挟持固定する。
上ボビン53及び下ボビン55は、いずれもコイル軸方向Xに沿って凹凸が繰り返されるような波板形状としている。上ボビン53及び下ボビン55の波板形状部の周囲四方の外周縁部は、コイル軸方向Xの両端二箇所に関しては、互いに接近する方向に屈曲してから水平方向に延在するフランジ53a,55aを備えている。これらフランジ53a,55aがコアベース51の外周フランジ部51cを上下から挟んだ状態で、コイル軸交差方向Yの両端付近の二箇所を、図17に示すように、例えば図26に示すものと同様なクリップ67などの固定具によって固定する。
上、下各ボビン53,55の波板形状部の周囲四方の外周縁部のうちコイル軸交差方向Yの両端二箇所に関しては、互いに接近する方向に湾曲する湾曲端部53b,55bが、コアベース51の外周フランジ部51cを上下から挟持している。コアベース51は、図17に示すように、周囲四箇所の角部に取付脚部51dを備えており、取付脚部51dを利用して絶縁板65上に固定される。
また、上、下各ボビン53,55のコイル軸交差方向Yの湾曲端部53b,55bの先端には、コアベース51に向けて突出する係合突起53f,55fを設けている。一方、コアベース51の外周フランジ部51cには、係合突起53f,55fが係合する係合孔51eを設けている。したがって、上ボビン53と下ボビン55とをコアベース51を間に挟んで重ね合わせたときに、係合突起53f,55fが係合孔51eに係合して上ボビン53及び下ボビン55と、コアベース51とが互いに連結される。このとき、湾曲端部53b,55bには、係合孔51eから突出した係合突起53f,55fの先端が入り込む逃げ凹部53g,55gをそれぞれ設けている。
上ボビン53及び下ボビン55の波板形状における凹部(または凸部)は、コイル軸交差方向Yに対し、平行ではなく僅かな角度をもって傾斜した状態で設けられている。この傾斜状態の凹部にコイル線49が入り込んだ状態で螺旋状に巻かれている。コアベース51のコイル軸交差方向Yの両端部は、図14に示すように上ボビン53及び下ボビン55から外側に突出しており、この突出した端部に、図15、図16に示すように、コイル線49が入り込む切欠き51fを形成している。この際、切欠き51fは、上ボビン53及び下ボビン55の波板形状の凹部に対応して形成されている。
上ボビン53の下ボビン55に対向する内壁面には、コアベース51の突起51aに対応する位置にて突起51aに向けて下方に突出する上ボビンリブ53cを設けている。上ボビンリブ53cは、突起51aと同様にコイル軸方向Xに沿って延在している。上ボビンリブ53cは、図18に示すように、最も大きい隙間Cに対応する突起51aに対しては、側壁51a2,51a3及び中央壁51a4にそれぞれ対応して三つ設けてあり、いずれも上壁51a1の上面に下端が当接している。
図18に示す上ボビンリブ53cに対してコイル軸交差方向Yに隣接する上ボビンリブ53cは、図14に示すように、突起51aの二つの側壁51a2,51a3相互間の上壁51a1の上面に下端が当接している。上ボビンリブ53cの下端が突起51aの上面に当接した状態では、上ボビン53の波板形状の下方に凸となる部分は、突起51aの上面及び分割磁性体コア47aの上面に対し、当接せず僅かに離間している。
図15、図16に示すように、下ボビン55の上ボビン53に対向する内壁面には、コアベース51の突起51aに対応する位置にて突起51aに向けて上方に突出する下ボビンリブ55cを設けている。下ボビンリブ55cも、突起51aと同様にコイル軸方向Xに沿って延在し、最も大きい隙間Cに対応する突起51aに対しては、三つの上ボビンリブ53cと同様に三つ設けられている。この三つの下ボビンリブ55cは、上端が突起51aの側壁51a2,51a3及び中央壁51a4の下端にそれぞれ当接している。
上記三つの下ボビンリブ55cに対してコイル軸交差方向Yに隣接する下ボビンリブ55cは、突起51aの二つの側壁51a2,51a3の両方に下方から当接可能なような幅に形成するか、側壁51a2,51a3にそれぞれ対応して二つ設ける。下ボビンリブ55cが突起51aの下面や底面51bの下面に当接した状態では、下ボビン55の波板形状の上方に凸となる部分は、突起51aの下面及び底面51bの下面に当接せず、僅かに離間している。
上ボビン53及び下ボビン55は、図15に示すように、上記した上ボビンリブ53c及び下ボビンリブ55cのほかに、上ボビンリブ53c及び下ボビンリブ55cよりも上下方向長さが短い上リブ53h及び下リブ55hを備えている。上リブ53hは、先端が波板形状の凸となる部分よりも内側(分割磁性体コア47aから離れる側)に位置し、分割磁性体コア47aや板状の突起51aに対して離間している。下リブ55hは、先端が、波板形状の凸となる部分よりも内側(分割磁性体コア47aから離れる側)に位置し、コアベース51の底面51bの下面に対して離間している。
図17に示すように、コイルボビン57に巻かれたコイル線49は、コアベース51のコイル軸交差方向Yの一方の端部でコイル軸方向Xの両端付近において、両端末49aが引き出される。この両端末49aが引き出される付近のコアベース51には、図20(a)にも示すように、コイル線49を引っ掛ける一対の係止突起51gをそれぞれ設けている。コイルボビン57の下方から引き出したコイル線49は、一対の係止突起51gのうち一方の上部を配索してから、他方の下部に配索するように互い違いに配索して保持される。
上記のように引き出されるコイル線49の端末49aは、樹脂カバー61内の底板59上に設置してある図示しないコンデンサに接続され、図13に示す樹脂カバー61の一側部に設けてあるコネクタ69に接続される。樹脂カバー61は、図14、図15に示すように、コイルボビン57を覆うようにして形成されるカバー部61aと、カバー部61aの周囲四方に位置する取付フランジ61bとを備えている。取付フランジ61bを底板59の外周縁の上面に載置してボルト71などの締結具により締結することで、樹脂カバー61を底板59に固定する。
カバー部61aは、コイルボビン57に対応する位置にあってほぼ平板状の平板部61a1と、平板部61a1の外縁部に連続し、取付フランジ61bに向けて湾曲するように屈曲して取付フランジ61bに連続する湾曲部61a2とを備えている。そして、カバー部61aの底板59に対向する内壁面には、底板59に向けて突出するカバーリブ61cを設けている。
カバーリブ61cは、平板部61a1に位置して下端が上ボビン53に当接するボビン当接リブ61c1と、湾曲部61a2に位置して下端が底板59に当接する底板当接リブ61c2とを備えている。さらに、カバーリブ61cは、主として平板部61a1に位置して下端が上ボビン53に対して離間しているボビン離間リブ61c3を備えている。ボビン当接リブ61c1及び底板当接リブ61c2はコイル軸方向Xに沿って延在し、ボビン離間リブ61c3はボビン当接リブ61c1相互間においてコイル軸交差方向Yに沿って延在している。コイル軸方向Xの端部に形成された底板当接リブ61c2は、コイル軸交差方向Yに沿って延在している。
ボビン当接リブ61c1は、上ボビン53の上ボビンリブ53cに対応する位置及び、上ボビン53の湾曲端部53bの近傍位置に、一つもしくは二つ設けている。このうち最も大きい隙間Cに対応して設けられている三つの上ボビンリブ53cに対しては、両側二つの上ボビンリブ53cに対応して二つのボビン当接リブ61c1を設けている。また、最も大きい隙間Cに隣接する隙間Cに対応して設けられている一つの上ボビンリブ53cに対しては、一つのボビン当接リブ61c1を設けている。さらに、上ボビン53の湾曲端部53bの近傍位置には一つのボビン当接リブ61c1を設けている。
上ボビンリブ53cに対応する位置にあるボビン当接リブ61c1は、上ボビンリブ53c、コアベース51の突起51a、下ボビンリブ55cに対応している。このため、これらボビン当接リブ61c1、上ボビンリブ53c、突起51a、下ボビンリブ55cは、隙間Cに対応する位置にあって、上下方向に沿って延びる柱を形成するように、上下方向の同一位置に配置される。
次に、図13に示す地上に設置された状態のコイルユニットCU1に対し、車両などが乗り上げて荷重が付与された場合を想定する。この場合、樹脂カバー61が受ける荷重は、まず複数のカバーリブ61cに伝達される。複数のカバーリブ61cのうち湾曲部61a2に位置する底板当接リブ61c2に伝達される荷重は、底板59に直接伝達されて耐荷重性が確保される。
一方、複数のカバーリブ61cのうち平板部61a1に位置するボビン当接リブ61c1に伝達される荷重は、コイルボビン57に伝達される。このうち上ボビンリブ53cに対応する位置にあるボビン当接リブ61c1に伝達される荷重は、図18、図19でよくわかるように、上ボビンリブ53c、コアベース51の突起51a、下ボビン55の下ボビンリブ55c、底板59の順に伝達される。この場合、樹脂カバー61の平板部61a1と底板59との間に、ボビン当接リブ61c1、上ボビンリブ53c、突起51a及び下ボビンリブ55cによって上下方向に延びる柱が形成されることになるので、耐荷重性が確保される。
また、複数のカバーリブ61cのうちコイル軸交差方向Yの両端部に位置するボビン当接リブ61c1に伝達される荷重は、上ボビン53及び下ボビン55の互いに対向するように屈曲する湾曲端部53b,55bが、下方に向けて荷重伝達することで耐荷重性が確保される。
さらに、平板部61a1に位置する複数のボビン当接リブ61c1に伝達される荷重は、上ボビン53及び下ボビン55が波板形状となっているので、上ボビン53及び下ボビン55自体で耐荷重性が確保される。しかも、上ボビン53、下ボビン55及びコアベース51は、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)で構成しているので、耐荷重性がより一層確保される。
その際、ガラス繊維強化プラスチックの繊維の配向方向を、コイル軸方向X及びコイル軸交差方向Yとしている。ガラス繊維強化プラスチックは、繊維の配向方向に対してより高い強度を発揮する。本実施形態では、繊維の配向方向をコイル軸交差方向Yとすることで、図19に示すように、コアベース51の突起51aでは上下方向に繊維の配向方向が向くことになり、樹脂カバー61が受けた荷重に対して耐荷重性が向上する。
また、繊維の配向方向をコイル軸方向Xとすることで、上ボビン53及び下ボビン55では、図18に示すように、波板形状における表裏両側の凸部相互をつなぐ部分は、そのつなぐ方向に沿って繊維が配向されることになる。この場合、樹脂カバー61が受けた荷重が表裏両側の凸部相互に沿って付与されることになり、このため樹脂カバー61が受けた荷重に対して耐荷重性が向上する。さらに、コイル線49は波板形状の凹部に入り込んだ状態で巻かれているので、位置ずれしにくく、かつ、コイル線49に対する保護機能も備えることになり損傷を受けにくくなっている。
また、コイル軸方向Xでのコイルボビン57の折れ曲がり変形に対しては、いずれもコイル軸方向Xに延びる上ボビンリブ53c、突起51a及び下ボビンリブ55cによって形成される柱により対抗できる。一方、コイル軸交差方向Yでのコイルボビン57の折れ曲がり変形に対しては、上ボビン53及び下ボビン55の波板形状で対抗できる。
以上のように本実施形態では、磁性体コア47にコイル軸方向Xに沿って延びる隙間Cを設けることで、自己インダクタンスL及び結合係数kを確保しつつ、軽量化及び、磁性体コア47の外径寸法を確保して送電側コイル11と受電側コイル13との位置合わせの容易性を達成できる。その際、隙間Cに設けたに補強部となる突起51aやボビン当接リブ61c1、上ボビンリブ53c、下ボビンリブ55cによって、送電側コイルユニットCU1の強度、剛性を確保することができる。
図20(a)は、図16のコアベース51の全体を示す斜視図、図20(b)は、図20(a)のコアベース51に分割磁性体コア47aを配置した状態を示す斜視図である。これらの図は、隙間Cの間隔をコイル軸交差方向Yの外側ほど小さくした例に対応している。これに対して図21(a)、(b)は、隙間Cの間隔をすべて等しくした例を示している。図21(a)、(b)では、コアベース51の複数の突起51aの幅がすべて等しくなっている。
図22は、車両5の底面5aに受電側コイルユニットCU2を取り付けた状態を示している。受電側コイルユニットCU2は、図23に示すように、車両5の底面5aに、図13の送電側コイルユニットCU1の底板59に対応する底板73を取り付けている。底板73の下面には、コイルボビン75を、絶縁板77を介して取り付け、さらにコイルボビン75を覆うようにして樹脂カバー79を底板73に締結固定する。
図24、図25にコイルボビン75の一部を示す。図24は車両5の底面5aに対向する面を示している。図25は図24とは反対側の地面に対向する面を、絶縁板77とともに図示している。コイルボビン75は、図14のコイルボビン57と同様に、内部に磁性体コア47を収容し、外部にコイル線49を巻いている。
コイルボビン75は、車両5側に位置する上ボビン81と、地面側に位置する下ボビン83とを備えている。これら上ボビン81及び下ボビン83は、図14の上ボビン53及び下ボビン55と同様に、コイル軸方向Xに沿って凹凸が繰り返されるような波板形状としている。そして、この波板形状の外表面の凹部にコイル線49を入り込ませた状態で巻いている。
図24、図25に示すように、上ボビン81は、図17のコアベース51と同様に、絶縁板77を介して底板73に取り付けるための取付脚部81aを周囲四箇所の角部に備えている。さらに、上ボビン81は、図17のコアベース51と同様に、コイル軸交差方向Yの両端部のコイル線49が入り込む切欠き81bと、コイル線49を引っ掛ける一対の係止突起81cとをそれぞれ備えている。これら切欠き81b及び係止突起81cは、図24に示すように、コイル軸交差方向Yの両端部が下方に屈曲して水平に延びるフランジ81dに形成されている。
上ボビン81のフランジ81dには、下ボビン83のコイル軸交差方向Yの両端部が上ボビン81に向けて湾曲するようにして屈曲する湾曲端部83aが当接している。この当接状態で、コイル軸方向Xの両端部において、上ボビン81と下ボビン83とを、図17におけるものと同様のクリップ67により固定している。
磁性体コア47は、上ボビン81と下ボビン83との間で、図14と同様の分割磁性体コア47aが隙間Cを介してコイル軸交差方向Yに沿って複数配置されている。隙間Cの間隔は図14と同様にコイル軸交差方向Yの外側ほど狭くなっている。そして、この隙間Cに、上ボビン81から下ボビン83に向けて突出する上ボビン突起81eが挿入配置されている。中央二箇所の最も大きい隙間Cにおいては、下ボビン83から上ボビン81に向けて突出する下ボビン突起83bも挿入配置されている。これら上ボビン突起81e及び下ボビン突起83bは、コイル軸方向Xに沿って延在している。
上ボビン突起81eは、図26に拡大して示すように、分割磁性体コア47aの側面に対向する両側壁81e1と、両側壁81e1の先端相互をつなぐ底壁81e2とを備えている。下ボビン突起83bも同様に、分割磁性体コア47aの側面に対向する両側壁83b1と、両側壁83b1の先端相互をつなぐ底壁83b2とを備えている。
中央二箇所の最も大きい隙間Cに挿入している上ボビン突起81e及び下ボビン突起83bは、底壁81e2,83b2同士が当接している。つまり、上ボビン突起81eの下端と下ボビン突起83bの上端とが互いに当接している。そして、この当接した状態で、図26に示すように、クリップ67により固定して固定部とする。クリップ67は、底壁81e2,83b2に設けた貫通孔に円筒形状の雌クリップ67aを挿入し、雌クリップ67aに雄クリップ67bを挿入することで雌クリップ67aの外径が広がって貫通孔に係止される。
下ボビン突起83bが挿入されていない隙間Cに挿入される上ボビン突起81eは、図24における底壁の81e2の下面が下ボビン83の上面に当接している。また、上ボビン81の上ボビン突起81e相互間には、図14の上リブ53hと同様の上リブ81fが形成されている。上リブ81fは、磁性体コア47に対応する位置にあるが、磁性体コア47に対して離間している。
図22〜図25に示す車両5側に取り付けられる受電側コイルユニットCU2は、分割磁性体コア47a相互間に形成した隙間Cには、補強部となる上ボビン突起81eや下ボビン突起83bが挿入配置されている。このため車両走行時などでの振動に対し、上ボビン突起81eや下ボビン突起83bによって剛性が確保される。
上記した受電側コイルユニットCU2においても、磁性体コア47にコイル軸方向Xに沿って延びる隙間Cを設けている。このため、自己インダクタンスL及び結合係数kを確保しつつ、軽量化及び磁性体コア47の外径寸法を確保して送電側コイル11と受電側コイル13との位置合わせの容易性を達成できる。その際、隙間Cに設けた補強部となる上ボビン突起81e及び下ボビン突起83bによって、コイルボビン75における上ボビン81と下ボビン83との間の上下方向の耐荷重特性が高まる。
さらに、上ボビン81及び下ボビン83が波板形状となっているので、上ボビン81及び下ボビン83自体で耐荷重性が確保される。しかも、上ボビン81及び下ボビン83は、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)で構成しているので、耐荷重性がより一層確保されるなど、図14のコイルボビン57と同様の効果が得られる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
例えば、図13に示した送電側コイルユニットCU1を車両5の底面5aに取り付けて、受電側コイルユニットとして利用してもよい。
本発明は、非接触で電力の授受を行う非接触給電用コイルに適用される。
X コイル軸方向
Y コイル軸交差方向
C 分割磁性体相互間の隙間
11 送電側コイル
13 受電側コイル
47 磁性体コア(磁性体)
47a 分割磁性体コア(分割磁性体)
49 コイル線(導電線)
Y コイル軸交差方向
C 分割磁性体相互間の隙間
11 送電側コイル
13 受電側コイル
47 磁性体コア(磁性体)
47a 分割磁性体コア(分割磁性体)
49 コイル線(導電線)
Claims (7)
- 非接触で電力の授受を行う送電側コイルと受電側コイルとの少なくとも一方が、環状に巻かれる導電線と、前記環状の導電線の中に配置される磁性体と、を備え、
前記磁性体は、該磁性体に前記導電線を巻いたコイルのコイル軸方向と交差するコイル軸交差方向に沿って複数に分割され、この分割される複数の分割磁性体相互間に、前記コイル軸方向に沿って延びる隙間が設けられ、
前記隙間は、前記コイル軸交差方向に沿って複数設けられ、この複数の隙間は、前記コイル軸交差方向の中央よりも外側が小さいことを特徴とする非接触給電用コイル。 - 非接触で電力の授受を行う送電側コイルと受電側コイルとの少なくとも一方が、環状に巻かれる導電線と、前記環状の導電線の中に配置される磁性体と、を備え、
前記磁性体は、該磁性体に前記導電線を巻いたコイルのコイル軸方向と交差するコイル軸交差方向に沿って複数に分割され、この分割される複数の分割磁性体相互間に、前記コイル軸方向に沿って延びる隙間が設けられ、
前記複数の分割磁性体は、前記コイル軸交差方向の中央よりも外側がコイル軸方向の投影面積が大きいことを特徴とする非接触給電用コイル。 - 前記複数の分割磁性体は、前記コイル軸交差方向の中央よりも外側がコイル軸交差方向の幅が広いことを特徴とする請求項2に記載の非接触給電用コイル。
- 前記複数の分割磁性体は、前記コイル軸交差方向の中央よりも外側が前記コイル軸方向及びコイル軸交差方向にそれぞれ直交する方向の厚さが厚いことを特徴とする請求項2または3に記載の非接触給電用コイル。
- 前記複数の分割磁性体は、前記コイル軸交差方向の中央よりも外側が体積が大きいことを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1項に記載の非接触給電用コイル。
- 前記複数の分割磁性体は、形状が互いに同一であることを特徴とする請求項1に記載の非接触給電用コイル。
- 前記隙間は、前記コイル軸方向と平行であることを特徴とする請求項1,2ないし6のいずれか1項に記載の非接触給電用コイル。
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