JP6249731B2 - コイルユニット及び非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、コイルユニット及び非接触電力伝送装置に関する。

近年、電気自動車等が備える二次電池の充電などにおいては、充電作業を容易にするために、プラグ接続等の物理的接続を必要としないワイヤレス（非接触）での電力伝送技術が用いられている（例えば特許文献１）。

このようなワイヤレスでの電力伝送を行う非接触電力伝送装置としては、電磁誘導現象を利用した電磁誘導方式、電磁波を利用した電磁波送信方式、共鳴現象を利用した共鳴方式などが知られている。例えば、共鳴方式は、送信共鳴コイルに交流電力を供給し、電磁場を介して送信共鳴コイルとこれに対向配置された受信共鳴コイルを共鳴させて電力を伝送する技術であり、数ｋＷの大電力を比較的離れた場所間で伝送することが可能となっている。

非接触電力伝送装置で用いられるコイルユニットは、コイル保持部材であるコイルボビンと、コイルボビンに巻回されたコイルとを主体に構成されている。このコイルユニットは、電気自動車の底部や路面上に配置されるため、薄型化が望まれており、コイルボビンを平板形状とし、その周囲にコイルを巻回する手法が考えられている。

特開２０１３−９０３９３号公報

ところで、コイルユニットは、平板状のコイルボビンの主面が上下方向を向くように配置されることとなるが、コイルをなす巻線を巻回する力が不十分となることがある。この巻回力の不足により、コイルボビンの下面側ではコイルの巻線部分がコイルボビンに密着せずに下方に垂れ下がった状態となり、コイルのインダクタンスにばらつきが起きるなどの不都合を生じさせることとなる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コイル保持部材とコイルとの密着性に優れたコイルユニット及び非接触電力伝送装置を提供する。

かかる課題を解決するために、第１の発明は、相手方コイルに電力を送信し又は相手方コイルから送信された電力を受信するコイルユニットにおいて、互いに対向する一対の主面を備えた平板状のコイル保持部材と、コイル保持部材の周囲に螺旋状に巻回されるコイルと、を有し、コイル保持部材は、コイルユニットが設置される際に下面側に位置づけられる一方の主面に、コイルの巻線部分に対して張力を付与する張力付与部を備えるコイルユニットを提供する。この場合、張力付与部は、一方の主面の中央に配置されており、コイルの軸心方向に沿って連続的に突出形成されている下向き凸状の部位から構成される。

また、第１の発明において、コイル保持部材は、隣り合う巻線同士を互いに隔てるように主面に立設されたガイド壁をさらに有することが望ましい。

また、第１の発明において、ガイド壁は、コイル保持部の中央部から離れる程、その高さが増加するように設定されていることが望ましい。

また、第２の発明は、電力を送信する送信コイルユニットと、送信コイルユニットから送信された電力を受信する受信コイルユニットとを有する非接触電力伝送装置において、送信コイルユニット及び受信コイルユニットの少なくとも一方が、第１の発明に記載のコイルユニットである非接触電力伝送装置を提供する。

本発明によれば、張力付与部によりコイルの巻線部分に張力が付与されるので、コイルには、コイル保持部材の内側へと引っ張られる力が作用することなる。これにより、コイル保持部材とコイルとの密着性を高めることができる。

本実施形態に係る非接触電力伝送装置の構成を示す説明図 受信コイルユニットの構成を模式的に示す斜視図 コイルに作用する力を示す説明図 変形例としての受信コイルユニットの構成を模式的に示す斜視図 図４に示す受信コイルユニットの構成を模式的に示す側面図

図１は、本発明の実施形態に係る非接触電力伝送装置１の構成を示す説明図である。本実施形態に係る非接触電力伝送装置１は、給電装置１０と、受電装置２０とで構成されており、給電装置１０から給電を行い、受電装置２０が非接触で受電をするものである。非接触電力伝送装置１は、図１に示すように、電気自動車５における電源としての電池（二次電池）６を充電するためのシステムに適用されており、給電装置１０が地上側のインフラとして構成され、受電装置２０が電気自動車５に搭載される。

給電装置１０は、電気自動車５の電池６を充電するための駐車場などに設置されており、受電装置２０に対して電力を供給する。この給電装置１０は、高周波電源１１と、送信コイルユニット１２とを主体に構成されている。

高周波電源１１は、電源筐体の内部に発振源（例えばインバータなど）を備えており、商用電源から送電される交流電力を所定の高周波の交流電力に変換する。高周波電源１１は、伝送ケーブル１３を介して送信コイルユニット１２に接続されており、変換した高周波の交流電力を送信コイルユニット１２に送信する。

送信コイルユニット１２は、高周波電源１１から送電された高周波の交流電力を、受電装置２０側の受信コイルユニット２１に送信するものであり、その詳細については後述する。送信コイルユニット１２は、その保護や保安上の観点から筐体の内部に収容されており、駐車場に相当する所定の路面上に配設されている。

一方、受電装置２０は、給電装置１０からの電力を受け取り、この受け取った電力を電池６に出力する。受電装置２０は、受信コイルユニット２１と、整流器２２とを主体に構成されている。

受信コイルユニット２１は、給電装置１０側の送信コイルユニット１２から送信された交流電力を受信するものである。受信コイルユニット２１は、その保護や保安上の観点から筐体の内部に収容されており、電気自動車５の底面に配設されている。受信コイルユニット２１は、電気自動車５を駐車場の規定スペースに駐車した場合、送信コイルユニット１２の上方に対峙するように配置されている。

整流器２２は、整流回路（例えばブリッジ回路）を備えており、受信コイルユニット２１によって受信された交流電力を直流電力へと整流する。整流器２２は、伝送ケーブル２３を介して電池６に接続されており、整流された直流電力は電池６で充電される。この電池６には当該電池６から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ（図示せず）が接続されており、このインバータから出力される交流電力により車両用駆動モータ（図示せず）が駆動する。

以下、送信コイルユニット１２及び受信コイルユニット２１について説明する。なお、本実施形態では、送信コイルユニット１２及び受信コイルユニット２１は互いに対応した構成のものであり、以下、受信コイルユニット２１の構成について説明をするが、送信コイルユニット１２についても同様である。

図２は、受信コイルユニット２１の構成を模式的に示す斜視図である。受信コイルユニット２１は、コイルボビン２１０と、このコイルボビン２１０に巻回されるコイル２２０とを有している。

コイルボビン２１０は、コイル２２０を保持するコイル保持部材であり、板状のフェライトコア２１０ａを樹脂２１０ｂで覆って構成されている。コイルボビン２１０は、平板形状を有しており、互い対向する一対の主面２１１，２１２を備えている。コイルボビン２１０は、路面上に配置される相手方の送信コイルユニット１２（具体的にはそのコイルボビンの主面）と向き合う関係となるように、その主面２１１，２１２が路面に対して略平行に設定される。コイルボビン２１０は、一方の主面２１１が上面に位置づけられ、この主面２１１が電気自動車５の底面と対向し、他方の主面２１２が下面に位置づけられ、この主面２１２が路面と対向する。

コイル２２０は、巻線２２１をコイルボビン２１０の周囲に螺旋状に巻回したものである。コイルボビン２１０に巻回されたコイル２２０において、１ターン相当の巻線部分は等間隔に配置されている。

コイル２２０としての巻線２２１としては、例えばリッツ線を用いることができる。リッツ線は、それぞれの表面が電気絶縁された導体で構成される複数の素線を撚り合わせて構成したものであり、本実施形態では、複数の素線が平たく撚り合わされて、断面が矩形形状となる、いわゆる平打ち形状を採用している。巻線２２１としての平打ち状のリッツ線はその周囲がシースによって覆われて保護されている。なお、リッツ線の構成としては、平打ち形状のみならず、断面が円形状となるものであってもよい。

以下、本実施形態の特徴の一つであるコイルボビン２１０の形状について説明する。具体的には、コイルボビン２１０は、コイル２２０の軸線と直交する断面の形状について、コイルボビン２１０の中央部から端部に近づく程板厚が薄くなるように設定されている。図２に示す例では、コイルボビン２１０は、その断面形状が略楕円形状に設定されており、個々の主面２１１，２１２は略半楕円状に形成されている。上面側の主面２１１は、上方向に膨出した略半楕円状に形成され、下面側の主面２２２は、下方向に膨出した略半楕円状に形成されている。

また、コイルボビン２１０は、隣り合う巻線同士を互いに隔てるガイド壁２１３をさらに有している。ガイド壁２１３は、コイルボビンの主面２１１，２１２にそれぞれ立設されており、コイルボビン２１０の周囲に巻回される巻線２２１の配索軌跡に対応して複数設けられている。

個々のガイド壁２１３は、コイルボビン２１０の中央に位置する程その高さが低く、端部に位置する程その高さが高くなるように設定されている。上述のように、コイルボビン２１０は、端部に近づく程板厚が薄くなっており、ガイド壁２１３の高さとは逆の関係になっている。このような逆の関係により、コイルボビン２１０全体の形状（ガイド壁２１３を含む）については、その高さが概ね一定となるように設定されている。

このような構成の非接触給電装置１によれば、電気自動車５の受電装置２０が駐車場に設けられた給電装置１０に近づき、送信コイルユニット１２と受信コイルユニット２１が互いに間隔を空けて対向したときに、送信コイルユニット１２と受信コイルユニット２１とが電磁共鳴して給電装置１０から受電装置２０に非接触で電力が供給される。

このように本実施形態において、受信コイルユニット２１は、互い対向する一対の主面２１１，２１２を備えた平板形状を有するコイルボビン２１０と、コイルボビン２１０の周囲に螺旋状に巻回されるコイル２２０とを有している。コイルボビン２１０は、その断面形状が略楕円形状に設定されており、上下の各主面２１１，２１２が上下方向に膨出した略半楕円形状に形成されている。このような半楕円形状の主面２１１，２１２は、コイル２２０の巻線部分に対して張力を付与する張力付与部として機能することとなる。

かかる構成によれば、張力付与部としての個々の主面２１１，２１２により、コイル２２０の巻線部分に張力が付与されることとなる。このため、図３に示すように、コイル２２０（巻線２２１）には、コイルボビン２１０の内側へと引っ張られる力が作用することなる。これにより、コイル２２０をなす巻線２２１の一部が、下面側の主面２１２から離間して垂れ下がったり、上面側の主面２１１から浮き上がったりするといった事態を抑制することができる。そのため、インダクタンスのばらつきの発生も抑制することができる。さらには、限られたスペース内において巻線２２１を効率よく巻回することができる。

ここで、本実施形態では、主面２１１，２１２の両方が半楕円形状に形成されているため、主面２１１，２１２のそれぞれに張力付与部が設定されることとなる。しかしながら、自重による垂れ下がりといった現象は、下面側の主面２１２に顕著に生じ易い。よって、コイルボビン２１０は、受信コイルユニット２１が設置される際に下面側に位置づけられる主面２１２に限り、半楕円形状に形成してもよい。しかしながら、上下の主面２１１，２１２をそれぞれ半楕円形状に形成した場合には、受信コイルユニット２１の設置時に上下方向の向きを考慮する必要がないので作業性の向上を図ることができ、また、上面側の主面２１１に生じる巻線２２１の浮きといった事態を有効に解消することができる。

また、本実施形態において、コイルボビン２１０は、隣り合う巻線同士を互いに隔てるように主面２１１，２１２に立設されたガイド壁２１３をさらに有している。

かかる構成によれば、ガイド壁２１３を、巻線２２１を巻回する際をガイドとして利用することができる。これにより、巻線２２１の巻回作業の効率の向上を図ることができ、また、各巻線部分を適切な間隔で確実に配置することができる。

また、本実施形態において、ガイド壁２１３は、コイルボビン２１０の中央部から離れる程、その高さが増加するように設定されている。

本実施形態ではコイルボビン２１０の形状が楕円形状を採用しているため、端部側の厚みは中央部のそれよりも小さいものとなっている。そのため、コイルボビン２１０の端部側でガイド壁２１３を高くしても、ガイド壁２１３を含むコイルボビン２１０全体の寸法の増加を抑制することができる。このように全体形状の寸法増加を抑制ししつつも、コイルボビン２１０の端部側ではガイド壁２１３を高く設定することできる。このようにガイド壁２１３の高さが確保されることで、ガイド壁２１３によるコイル２２０の姿勢規制力を適切に得ることができる。

なお、本実施形態に係るコイルボビン２１０では、一対の主面２１１，２１２を判断円形状に設定することで、コイル２２０の巻線部分に対して張力を付与する張力付与部を実現している。しかしながら、張力付与部の実現は、このような形態のみならず、他の形態によっても実現可能である。なお、以下の説明では、便宜上、ガイド壁２１３について省略するが、これを備えるものであってもよい。

図４は、送信コイルユニット１２の変形例を示す説明図であり、同図に示す例では、巻線２２１として断面が円形状のものが描かれている。具体的には、一対の主面２１１，２１２はフラットな面形状に設定されており、個々の主面２１１，２１２には、張力付与部２１４が配置されている。この張力付与部２１４は、個々の主面２１１，２１２の中央部に配置されており、当該主面２１１，２１２の一部を凸状に突出形成したものであり、コイル２２０の軸心方向に沿って連続的に形成されている。

このような構成によれば、張力付与部２１４により、コイル２２０の巻線部分に張力が付与されることとなる。このため、コイル２２０（巻線２２１）には、コイルボビン２１０の内側へと引っ張られる力が作用することなる。これにより、コイル２２０をなす巻線２２１の一部が、下面側の主面２１２から離間して垂れ下がったり、上面側の主面２１１から浮き上がったりするといった事態を抑制することができる。

このように、張力付与部２１４は、主面２１２，２１２を全体的に膨らませた形状（半楕円形状）により実現するのみならず、主面２１１，２１２の一部分を張力付与部２１４として利用することも可能である。もっとも、主面２１１，２１２を全体的に膨らませた形状であれば、巻線２２１が主面２１１，２１２の全域に接触することになるから、巻線２２１の全域に応力が分散することとなり、巻線２２１の保護の観点からも好ましい。

なお、図４に示す変形例では、主面２１１，２１２のそれぞれに張力付与部２１４が設定されている。しかしながら、自重による垂れ下がりが下面側に顕著に生じ易いことを考慮して、受信コイルユニット２１が設置される際に下面側に位置づけられる一方の主面２１２にのみ、張力付与部２１４を備えるものであってもよい。

以上、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その発明の範囲において種々の変更が可能である。また、非接触電力伝送装置のみならず、これに用いられるコイルユニットも発明の一部として機能する。また、本実施形態では、受信コイルユニットの構成をメインに説明したが、送信コイルユニットについても同様の構成とすることができ、少なくとも一方が上記の構成を備えていればよい。

１ 非接触電力伝送装置
５ 電気自動車
６ 電池
１０ 給電装置
１１ 高周波電源
１２ 送信コイルユニット
１３ 伝送ケーブル（給電側）
２０ 受電装置
２１ 受信コイルユニット
２２ 整流器
２３ 伝送ケーブル（受電側）
２１０ コイルボビン
２１０ａ フェライトコア
２１０ｂ 樹脂
２１１ 主面
２１２ 主面
２１３ ガイド壁
２１４ 張力付与部
２２０ コイル
２２１ 巻線

Claims (4)

1. 相手方コイルに電力を送信し又は相手方コイルから送信された電力を受信するコイルユニットにおいて、
   互いに対向する一対の主面を備えた平板状のコイル保持部材と、
   前記コイル保持部材の周囲に螺旋状に巻回されるコイルと、を有し、
   前記コイル保持部材は、
   前記コイルユニットが設置される際に下面側に位置づけられる一方の主面に、前記コイルの巻線部分に対して張力を付与する張力付与部を備え、
   前記張力付与部は、前記一方の主面の中央に配置されており、前記コイルの軸心方向に沿って連続的に突出形成されている下向き凸状の部位から構成されることを特徴とするコイルユニット。
2. 前記コイル保持部材は、隣り合う巻線同士を互いに隔てるように前記主面に立設されたガイド壁をさらに有することを特徴とする請求項１に記載されたコイルユニット。
3. 前記ガイド壁は、前記コイル保持部材の中央部から離れる程、その高さが増加するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載されたコイルユニット。
4. 電力を送信する送信コイルユニットと、前記送信コイルユニットから送信された電力を受信する受信コイルユニットと、を有する非接触電力伝送装置において、
   前記送信コイルユニット及び前記受信コイルユニットの少なくとも一方が、請求項１から３のいずれかに記載のコイルユニットであることを特徴とする非接触電力伝送装置。

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