JP6300106B2

JP6300106B2 - 非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP6300106B2
Application number: JP2014559575A
Authority: JP
Inventors: 大森　義治; 義治大森; 別荘　大介; 大介別荘; 藤田　篤志; 篤志藤田; 秀樹定方; 裕明栗原
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: EP2953145A4; US20150332827A1; EP2953145A1; JPWO2014119296A1; WO2014119296A1

Description

本発明は、電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両等の充電に用いられる非接触電力伝送装置に関する。

従来、非接触電力伝送装置の送電コイル又は受電コイルとして、特許文献１には、複数のコアを間隔を空けて配置したものが記載されている。複数のコアからは、コア間の間隙を埋める磁力線が出力されるため、コア間の間隙の寸法を含めた、拡大された大きさのコアとして作用する。そのため、送電コイルと受電コイルの位置ずれに対して強くなり、小型化・軽量化を可能にしている。

また、特許文献２には、Ｈ型コアの幅狭部にコイルを巻回した送電コイル又は受電コイルが記載されている。送電コイルと受電コイルとの間の空間磁束分布は、コイルが巻回されていないコア部の形状で決まるため、Ｈ型コアの幅狭部の幅を狭くしても、コイルの起磁力は変わらない。そのため、送電コイル又は受電コイルの小型化・軽量化を図ることができる。

また、特許文献３には、Ｈ型コアにおいて、コイルが巻回されていないコア部を、コイルが巻回されたコア部よりも、相手コア側に近づけて配置した送電コイル又は受電コイルが記載されている。これにより、コイルが巻回されていないコア部間の距離を短くすることができ、コイル間の結合係数が高くなり、給電効率を高めることができる。

特開２０１０−１７２０８４号公報特開２０１１−５０１２７号公報特開２０１２−１５１３１１号公報

従来の送電コイル又は受電コイルの構成では、コイルの巻回軸方向には多くの磁束が集中するため、コイルの巻回軸方向を水平になるように設置した場合、周辺への磁界漏洩が大きくなる。特に、コア部分の終端近辺では拡散する磁束も強くなり、周辺への磁界漏洩がより大きくなるという課題を有していた。

本発明は、従来の課題を解決するもので、コイルの巻回軸方向が水平になる設置構成であっても、周辺への漏洩磁束を低減することが可能な非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明に係る非接触電力伝送装置は、送電コイルから受電コイルに電磁誘導を用いて非接触で電力伝送する非接触電力伝送装置であって、送電コイル及び受電コイルのうち少なくとも一方は、電線が巻回された第１のコイルと、第１のコイルの巻回軸方向の少なくとも一端側に配置され、電線が巻回された第２のコイルとを備え、第２のコイルは、第２のコイルの巻回軸方向に沿って生じる磁束の方向が、第１のコイルの巻回軸方向に沿って生じる磁束の方向と反対方向になるように配置されている。

このような構成により、第１のコイルと第２のコイルとで生じる磁束の方向が逆向きとなるため、第１のコイルの終端から拡散する磁束の主な水平成分を打ち消すことができ、周辺方向への漏洩磁束を小さくすることができる。

本発明によれば、第１のコイルと第２のコイルとで生じる磁束の方向が逆向きとなるため、第１のコイルの終端から拡散する磁束の主な水平成分を打ち消すことができ、周辺方向への漏洩磁束を小さくすることができる。

本発明の一実施形態における非接触電力電送装置ブロック図である。本発明の一実施形態における非接触電力電送装置の外観図である。本発明の一実施形態における送電コイルの断面図である。本発明の一実施形態における送電コイルの外観図である。本発明の一実施形態における送電コイルの磁束ベクトル説明図である。本発明の変形例１における送電コイルの部分断面図である。本発明の変形例２における送電コイルの部分断面図である。本発明の変形例３における送電コイルの部分断面図である。本発明の変形例４における送電コイルの部分断面図である。本発明の変形例５における送電コイルの部分断面図である。本発明の変形例６における送電コイルの部分断面図である。本発明の変形例７における送電コイルの部分断面図である。本発明の他の変形例における送電コイルの上面図である。本発明の他の変形例における送電コイルの上面図である。本発明の他の変形例における送電コイルの上面図である。本発明の他の変形例における送電コイルの部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る非接触電力電送装置のブロック図である。また、図２は、車両を駐車スペースに停車した状態の非接触電力電送装置の外観図である。

図１および図２に示すように、非接触電力電送装置は、例えば、駐車スペースに設置される給電装置２と、電気推進車両に搭載される受電装置４とで構成される。

給電装置２は、商用電源６に接続される電源箱８と、インバータ部１０と、地上側コイルユニット（送電コイル）１２と、電力制御装置１７を構成する給電装置側の制御部（例えば、マイコン）１６とを備えている。一方、受電装置４は、車両側コイルユニット（受電コイル）１８と、整流部２０と、負荷であるバッテリー２２と、受電装置側の制御部（例えば、マイコン）２４とを備えている。

給電装置２において、商用電源６は、低周波交流電源である２００Ｖ商用電源であり、電源箱８の入力端に接続され、電源箱８の出力端はインバータ部１０の入力端に接続され、インバータ部１０の出力端は地上側コイルユニット１２に接続されている。一方、受電装置４においては、車両側コイルユニット１８の出力端は、整流部２０の入力端に接続され、整流部２０の出力端はバッテリー２２に接続されている。

地上側コイルユニット１２は、地上に敷設され、電源箱８は、例えば、地上側コイルユニット１２から所定距離だけ離隔した位置に立設される。一方、車両側コイルユニット１８は、例えば、車体底部（例えば、シャーシ）に取り付けられる。

給電装置側制御部１６は、受電装置側制御部２４と通信を行い、受電装置側制御部２４は、検出したバッテリー２２の残電圧に応じて電力指令値を決定し、決定した電力指令値を給電装置側制御部１６に送信する。給電装置側制御部１６は、地上側コイルユニット１２で検出した給電電力と、受信した電力指令値とを比較し、電力指令値が得られるようにインバータ部１０を駆動する。

図２に示すように、給電装置２から受電装置４に給電するに際し、車両側コイルユニット１８は、車両を適宜移動させることで地上側コイルユニット１２に対向して配置され、給電装置側制御部１６がインバータ部１０を駆動制御することで、地上側コイルユニット１２と車両側コイルユニット１８との間に高周波の電磁場が形成される。受電装置４は、高周波の電磁場より電力を取り出し、取り出した電力でバッテリー２２を充電する。

図３は、本発明の一実施形態における非接触電力電送装置において、地上側コイルユニット（送電コイル）１２の断面図を示している。なお、車両側コイルユニット（受電コイル）１８も、同様の構成をとることができる。

図４は、本実施形態におけるコイルの外観図を示す。地上側コイルユニット１２は、フェライトなどの磁性材料で作られたコア３４と、コア３４に巻回した電線３０とで構成された第１のコイル３１、および電線３０で構成された第２のコイル３２から構成されている。

第１のコイル３１及び第２のコイル３２の巻回軸は、水平方向で略一致している。第１のコイル３１の両側終端に設けられた第２のコイル３２は、同一の電線３０で構成されているが、巻き方向は逆である。

インバータ部１０からの出力は、第１のコイル３１及び第２のコイル３２の電線３０に伝わり、磁束を発生させる。第１のコイル３１で発生した磁束は、コア３４を伝わり、コア３４の終端から拡散する。なお、拡散した磁束のうち、上方に向かう磁路を使用することで、上側に配置された車両側コイルユニット１８との間に電力伝送のための高周波の電磁場を形成する。

図５は、本実施形態におけるコイルの磁束ベクトル説明図である。電線３０で生じたコア内の磁束４０は、コア３４を経由してその終端へ向かう。空気中では磁性体内と同じ磁束密度を維持できないため、コア３４の終端近辺では、磁束密度が下がる方向（例えばコア面に垂直方向）への磁束の拡散が生じる。このため、コア３４内の磁束４０の多くは、コア３４の終端近辺から拡散し、特に、コイルの巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１が大きくなる。

第２のコイル３２の電線３０は、第１のコイル３１の電線３０とは逆巻きに巻かれているため、第２のコイル３２で発生する磁束４２は、第１のコイル３１で発生する磁束４０と逆向きになる。そして、逆向きに発生した磁束４２は、コア３４終端から拡散した磁束のうち主に水平方向の漏洩磁束４１を打ち消す。したがって、第２のコイル３２の働きにより、第１のコイル３１の巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１は小さくなる。

さらに、図３に示すように、車両側コイルユニット１８に向かう上方向以外をアルミなどの非磁性の板３５および非磁性の壁３６で覆うことで、さらに漏洩磁束を抑制することができる。非磁性の壁３６は、少なくとも水平方向に設置された第１のコイル３１、３２の巻回軸とほぼ対向する場所に設置されている。通常、漏洩磁束が大きい場所に非磁性の板や壁を設置すると発熱の危険性があるが、本実施形態においては、第２のコイル３２により第１のコイル３１の巻回軸方向への漏洩磁束４１が小さくなるため、発熱を抑えた上で、防磁用の非磁性の板３５及び非磁性の壁３６を配置することが可能になる。

なお、本実施形態においては、第１のコイル３１と第２のコイル３２の電線３０の巻き方向を逆にして、かつ直列に接続した構成を例に説明を行ったが、本発明の効果を奏するためには、第１のコイル３１に発生する磁束の方向と、第２のコイル３２に発生する磁束の方向を逆向きにすればよく、その構成は実施の形態に限らない。

すなわち、本実施形態における非接触電力伝送装置において、送電コイル１２及び受電コイル１８のうち少なくとも一方は、電線３０が巻回された第１のコイル３１と、第１のコイル３１の巻回軸方向の少なくとも一端側に配置され、電線３０が巻回された第２のコイル３２とを備え、第２のコイル３２は、第２のコイル３２の巻回軸方向に沿って生じる磁束の方向が、第１のコイル３１の巻回軸方向に沿って生じる磁束の方向と反対方向になるように配置されている。

ここで、第２のコイル３２の巻回軸は、第１のコイル３１の巻回軸と略一致していることが好ましく、第２のコイル３２の電線３０の巻き方向は、第１のコイル３１の電線３０の巻き方向と、反対方向になっている。

あるいは、第２のコイル３２の電線３０の巻き方向は、第１のコイル３１の電線３０の巻き方向と同一方向になっており、第２のコイル３２の電線３０に流れる電流の方向は、第１のコイル３１の電線３０に流れる電流の方向と反対方向になっている。第１のコイル３１と第２のコイル３２の電線３０の巻き方向を同じにして、第１のコイル３１の電線３０の終端から第２のコイル３２の電線３０への接続を逆にすることで、電流の流れる方向を逆にする構成を用いても、第１のコイル３１による磁束と第２のコイル３２による磁束が逆向きになるため、第１のコイル３１の巻回軸方向への漏洩磁束を抑制する効果が得られる。

あるいは、第１のコイル３１と第２のコイル３２への給電を個別に行い、給電電流の位相を調整して第１のコイル３１の巻回軸方向への漏洩磁束を抑制することも可能である。

ここで、第１のコイル３１は、コア３４の周りに電線３０が巻回された構成になっていることが好ましい。また、第１のコイル３１と第２のコイル３２とは、同一の電線３０で巻回された構成になっていることが好ましい。

（変形例１）
図６は、第２のコイル３２までコア３４を延在させた場合の構成を示す図である。この構成の場合、第２のコイル３２で発生する逆方向の磁束が、コア３４が無い場合に比べて増えるため、コイルの巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１をより小さくすることが可能になる。

（変形例２）
図７は、図６のコア３４の終端を上方（車両側コイルの方向）に延在させた場合の構成を示す図である。この構成の場合、コア３４で発生する磁束の多くはコア３４の形状に沿って上方へ流れるため、コイルの巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１はさらに小さくすることが可能になる。

（変形例３）
図８は、図７のコア３４を３分割した場合の構成を示す図である。この構成の場合、第１のコイル３１のコア３４の終端近辺で一度磁束の拡散が生じ、コイルの巻回軸方向（水平方向）および、上下方向（垂直方向）に磁束が向かう。同様に、第２のコイル３２のコア３４の終端近辺でも磁束の拡散が生じる。拡散により下方向に向かった磁束はアルミ板などの防磁部材（図示せず）に打ち消されて弱まり、上方向に向かった磁束は高周波の電磁場形成に寄与し、残ったコイルの巻回軸方向に向かった磁束は最後のコア３４に侵入する。最後のコア３４に侵入する磁束は、２回拡散した磁束の一部であるため、コイルの巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１は、さらに小さくすることが可能になる。

（変形例４）
図９は、図７においてコア３４を上方に延在させる場所を第１のコイル３１と第２のコイル３２の間にした構成を示す図である。この構成の場合、先に磁束の多くを上方へ伝達させた上で拡散させるため、コイルの巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１は、さらに小さくすることが可能になる。

なお、図８における終端部のコア３４及び図９における第２のコイル３２のコア３４は、第１のコイル３１のコア３４よりも下方向まで配置されている。この場合、拡散した下方向への磁束をより打ち消すことが可能になる。

しかし、必ずしもコア３４の配置をずらす必要があるわけではなく、同じ位置に配置した場合でも十分に本発明の効果を奏することが可能である。

（変形例５）
図１０は、図９において第２のコイル３２のコアを取り除いた構成を示す図である。この構成の場合も他の変形例と同様、コイルの巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１を小さくすることが可能になる。

（変形例６）
図１１は、第２のコイル３２を第１のコイル３１よりも大きくした構成を示す図である。この構成の場合、第２のコイル３２は第１のコイル３１よりコイル巻き中心側の面積が広いため、第１のコイル３１からの軸方向磁束を広範囲で打ち消すことができ、第１のコイル３１の巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１をより少なくすることが出来る。また第１のコイル３１と第２のコイル３２の巻回し中心軸を一致させなくても、コイルの巻回し中心軸方向に見て、コイル巻回し内側範囲の少なくとも一部が重なるように配置することで第１のコイル３１の巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１を打ち消すことが可能である。

すなわち、第２のコイル３２は、第２のコイル３２の内側範囲の少なくとも一部が、巻回軸方向から見て、第１のコイル３１の内側範囲と重なるように配置されていることが好ましい。

（変形例７）
図１２は、第２のコイル３２を傾けて配置した構成を示す図である。この構成の場合、例えば非磁性の防磁板の発熱防止などの目的で、第１のコイル３１の軸方向からやや下側方向の磁束を抑制したい場合などに有用である。

（変形例８）
図１３から図１６は、図３に示した非磁性の板３５および非磁性の壁３６の変形例を示す図である。

図１３及び図１４は、非磁性の板３５および非磁性の壁３６を四角形、又は八角形に配置して、第１のコイル３１を囲んだ場合を示す図である。どちらの場合も、拡散磁束に対向していれば漏洩磁束を抑制する効果が得られる。

また、図１５に示すように、特に、漏洩磁束が多い方向のみに非磁性の壁３６を設けても漏洩磁束を抑制する効果は得られる。

図１６は、非磁性の壁３６を傾けて設置した場合を示す図である。この構成は、位置ずれに対処するなどの理由で電力伝送のための高周波の電磁場を広く形成したい場合などに有効で、第１のコイル３１終端からの磁束方向を広げる方向に設置することで実現できる。

なお、非磁性の壁３６の高さや配置位置はすべて同じ寸法に合わせる必要はなく、設置状況等に応じて変更してもよい。

また、図１３から図１６では、第２のコイル３２は図示していないが、第２のコイル３２を非磁性の壁３６の内側に配置しても外側に配置しても、同様に第１のコイル３１の漏洩磁束を抑制する効果はある。

なお、実施の形態及び変形例では、給電装置２の地上側コイルユニット１２に複数の第１のコイル３１、第２のコイル３２や非磁性の板３５、非磁性の壁３６が設置されている構成を一例として説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されない。このような構成に代えて、例えば、受電装置４の車両側コイルユニット１８に複数の第１のコイル３１、第２のコイル３２や非磁性の板３５、非磁性の壁３６を設置しても良い。さらに、給電装置２の地上側コイルユニット１２および受電装置４の車両側コイルユニット１８に複数の第１のコイル３１、第２のコイル３２や非磁性の板３５、非磁性の壁３６をそれぞれ設置した構成としても良い。

また、図３では、第１のコイル３１の左右両方向に巻き方向の違う第２のコイル３２を設けているが、どちらか一方にのみに設ける構成としてもよい。さらに、第１のコイル３１の左右の片方に巻き方向の違う第２のコイル３２を設け、第１のコイル３１のインダクタンス調整を行うため、もう一方に巻き方向が同じコイルを設けてもよい。

また、図３から図１６に示すコア３４の形状は角型となっているが、例えば円筒形状などほかの形状のコアであっても良い。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明に係る非接触電力伝送装置は、例えば、人や物が不注意にあるいは誤って近づく可能性がある電気推進車両の受電装置および給電装置に有用である。

２給電装置
４受電装置
６商用電源
８電源箱
１０インバータ部
１２地上側コイルユニット（送電コイル）
１６給電装置側制御部
１７電力制御装置
１８車両側コイルユニット（受電コイル）
２０整流部
２２バッテリー
２４受電装置側制御部
３０電線
３１第１のコイル
３２第２のコイル
３４コア
３５非磁性の板
３６非磁性の壁
４０磁束
４１漏洩磁束
４２逆方向の磁束

Claims

送電コイルから受電コイルに電磁誘導を用いて非接触で電力伝送する非接触電力伝送装置であって、
前記送電コイル及び前記受電コイルのうち少なくとも一方は、
電線が巻回された第１のコイルと、
前記第１のコイルの巻回軸方向の両側に配置され、電線が巻回された第２のコイルと
を備え、
前記第２のコイルは、該第２のコイルの巻回軸方向に沿って生じる磁束の方向が、前記第１のコイルの巻回軸方向に沿って生じる磁束の方向と反対方向になるように配置されており、
前記第２のコイルの巻回数は、前記第１のコイルの巻回数よりも少ない、非接触電力伝送装置。
前記第２のコイルの巻回軸は、前記第１のコイルの巻回軸と略一致しており、
前記第２のコイルの電線の巻き方向は、前記第１のコイルの電線の巻き方向と、反対方向になっている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
前記第２のコイルの巻回軸は、前記第１のコイルの巻回軸と略一致しており、
前記第２のコイルの電線の巻き方向は、前記第１のコイルの電線の巻き方向と、同一方向になっており、
前記第２のコイルの電線に流れる電流の方向は、前記第１のコイルの電線に流れる電流の方向と、反対方向になっている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
前記第１のコイルは、コアの周りに電線が巻回された構成になっている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
前記第１のコイルと前記第２のコイルとは、同一の電線で巻回された構成になっている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
前記第２のコイルは、該第２のコイルの内側範囲の少なくとも一部が、巻回軸方向から見て、前記第１のコイルの内側範囲と重なるように配置されている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
前記第２のコイルの電線に流れる電流は、前記第１のコイルの電線に流れる電流と、位相が異なっている、請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
少なくとも、前記第１のコイルの外周側に、該第１のコイルの巻回軸に対して略垂直な方向に、非磁性の壁が設けられている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
前記第１のコイル及び第２のコイルの、対向して配置される前記送電コイル又は前記受電コイルと反対側に、前記第１のコイル及び第２のコイルの巻回軸に対して略平行な方向に、非磁性の壁がさらに設けられており、
前記巻回軸に対して略垂直な方向に設けられた非磁性の壁と、前記巻回軸に対して略平行な方向に設けられた非磁性の壁は、電気的に接合されている、請求項８に記載の非接触電力伝送装置。
前記巻回軸に対して略垂直に設けた非磁性の壁は、前記第１のコイルの外周を囲むように配置され、それぞれの壁が電気的に接合されている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
前記第１のコイルは、コアに電線が巻回された構成になっており、
前記第２のコイルは、前記コアの終端側において、前記コアのない状態で電線が巻回された構成になっている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。