JP6458678B2 - コイルユニット - Google Patents

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Description

本発明は、コイルユニットに関する。
従来から送電装置から非接触で受電装置に電力を送電する非接触充電システムについて各種提案されている(特許文献1〜5)。
特開2008−120239号公報には、送電装置および受電装置について記載されている。送電装置は、複数のブロックコアを積層して形成されE型コアと、E型コアに装着された送電コイルとを含み、送電コイルとして、渦巻型コイルが採用されている。
受電装置は、複数のブロックコアを積層して形成されたE型コアと、E型コアに装着された受電コイルとを備え、受電コイルとして、渦巻型コイルが採用されている。
そして、送電装置および受電装置のいずれにおいても、E型コアは、中央凸部と、両端凸部とを含み、各コイルは、各中央凸部に巻回されている。
特開2013−154815号公報 特開2013−146154号公報 特開2013−146148号公報 特開2013−110822号公報 特開2013−126327号公報 特開2008−120239号公報
特開2008−120239号公報に記載された送電装置および受電装置においては、突状に形成された中央凸部の周囲にコイルが装着されている。本願発明者等は、このように構成された送電装置および受電装置の間で電力伝送した場合に、受電コイルと送電コイルとが所定距離離れているときの結合係数と、受電コイルと送電コイルとが近接した状態である時の結合係数との差が大きくなることを見出した。そこで、本願発明者等は、上記の現象が生じる原因について鋭意検討した。
発明者等は、受電コイルと送電コイルとが所定距離離れているときには、送電装置の中央凸部の中央部と、受電装置の中央凸部の中央部とを通る磁束は少ないことを見出した。
具体的には、送電コイルと受電コイルとの間の距離が所定距離離れている場合には、送電装置において、中央凸部の上面のうち送電コイルの内周縁部の近傍から受電装置に向けて磁束が出射され、受電装置において、中央凸部の下面のうち受電コイルの内周縁部の近傍に磁束が入射していることを見出した。
そして、受電コイルと送電コイルとが近接する場合には、送電装置において、中央凸部の上面の略全面から磁束が出射され、受電装置において、中央凸部の下面の略全面から磁束が入射することを見出した。
その結果、送電コイルと受電コイルの上下方向の距離が変動することで、送電装置の中央凸部と、受電装置の中央凸部とを通る磁束量が著しく増加し、受電コイルと送電コイルの結合係数が大きく変動することを見出した。なお、結合係数が大きく変動すると、受電コイルの受電電圧および送電コイルの送電電流が大きく変動し、受電装置の耐電圧範囲や送電装置の耐電流範囲を広く確保する必要が生じる。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、送電コイルと受電コイルとの上下方向の距離が変動した場合においても、大きく結合係数が変動することを抑制することができる送電装置および受電装置を提供することである。
本発明に係る送電装置は、中央に中空部が形成された送電コイルと、送電コイルのうち送電方向と反対側に位置する面に配置され、送電コイルの巻軸に沿って視たときに中空部に位置する開口部に形成されたフェライトと、中空部および開口部で形成される空間内で、且つ送電コイルの巻軸に沿って視たときに開口部内に位置する金属部とを備える。
送電コイルと受電コイルとが所定距離離れた状態においては、送電コイルからの磁束は、送電コイルの近傍を通り受電コイルに向かうと共に、受電コイルと鎖交した後、送電コイルの近傍に戻るように流れる。
送電コイルと受電コイルとが近接した場合には、送電コイルと受電コイルとの間の磁気経路が短くなり、多くの磁束が流れようとする。このため、受電コイルから戻る磁束が、送電コイルの近傍のみならず、送電コイルの中空部およびフェライトの開口部を通り、送電コイルに戻ろうとする。
その一方で、開口部内には金属部が設けられているため、上記中空部および開口部を通る磁束は、当該金属部によって反射される。
このため、受電コイルから送電コイルに戻る磁束は、金属部が設けられていない磁気経路を通り、送電コイルに戻ることになる。
このように、磁束が通る経路が限られることになり、結果として、送電コイルおよび受電コイルを通る磁束量が過大に増加することが抑制される。
その結果、送電コイルと受電コイルとが離れているときの結合係数と、送電コイルと受電コイルとが近接しているときの結合係数とに大きな差が生じることを抑制することができ、受電コイルと送電コイルとの間の距離によって結合係数が大きく変動することを抑制することができる。
好ましくは、上記送電コイルに接続された機器と、内部に機器が収容される金属製の収容ケースとをさらに備える。上記金属部の少なくとも一部は、収容ケースである。
機器を収容するケースを金属製とすることで、機器から出射されるノイズが外部に放射されることを抑制することができる。さらに、収容ケースが上記金属部としても兼用されるため、収容ケースの他に金属物を設ける必要がなく、部品点数の低減を図ることができる。
好ましくは、上記収容ケースは、開口部から中空部に向けて突出する突出部を含む。上記突出部は、周面と、周面の先端部に形成された天板部とを含む。上記突出部の周面は、突出部の中央部に向けて張り出すように湾曲する湾曲面状に形成されると共に、突出部の送電コイルの巻軸に垂直な方向の幅が送電方向に向かうにしたがって狭くなるように形成される。
送電コイルの中空部の内表面から出射した磁束は、突出部に近づくにつれて、送電方向に向かうように進む。その一方で、突出部の周面は、突出部の中央部に向けて湾曲するように形成されているため、送電コイルの磁束が、突出部の周面に入り込むことを抑制することができる。これにより、突出部が高温となったり、送電効率の低下を抑制することができる。
本発明に係る送電装置は、1つの局面では、中央に中空部が形成された送電コイルと、送電コイルのうち送電方向と反対側に位置する面に配置され、送電コイルの巻軸に沿って視たときに中空部に位置する開口部が形成されたフェライトと、中空部および開口部で形成される空間内で、且つ送電コイルの巻軸に沿って視たときに開口部内に配置され、フェライトよりも磁気抵抗が高い高抵抗部材とを備える。
送電コイルと受電コイルとが所定距離離れた状態においては、送電コイルからの磁束は、送電コイルの近傍を通り受電コイルに向かうと共に、受電コイルと鎖交した後、送電コイルの近傍に戻るように流れる。
送電コイルと受電コイルとが近接した場合には、送電コイルと受電コイルとの間の磁気経路が短くなり、多くの磁束が流れようとする。このため、受電コイルから戻る磁束が、送電コイルの近傍のみならず、送電コイルの中空部およびフェライトの開口部を通り、送電コイルに戻ろうとする。
その一方で、開口部内には高抵抗部材が設けられているため、送電コイルの中空部およびフェライトの開口部を通る磁気経路の磁気抵抗が高くなる。その結果、送電コイルの中空部およびフェライトの開口部を通る磁束量が過大に多くなることが抑制される。
これにより、送電コイルと受電コイルとが離れているときの結合係数と、送電コイルと受電コイルとが近接しているときの結合係数とに大きな差が生じることを抑制することができ、受電コイルと送電コイルとの間の距離によって結合係数が大きく変動することを抑制することができる。
本発明に係る受電装置は、1つの局面では、中央に中空部が形成された受電コイルと、受電コイルのうち受電方向と反対側に位置する面に配置され、受電コイルの巻軸に沿って視たときに中空部に位置する開口部が形成されたフェライトと、中空部および開口部で形成される空間内で、且つ受電コイルの巻軸に沿って視たときに開口部内に位置する金属部とを備える。
受電コイルと送電コイルとが互い離れた状態においては、送電コイルからの磁束は、受電コイルの近傍を通り、送電コイルに戻る。
送電コイルと受電コイルとが近接した場合には、送電コイルと受電コイルとの間の磁気経路が短くなり、多くの束が受電コイルと鎖交しようとする。このため、送電コイルから受電コイルに向かう磁束は、受電コイルの近傍のみならず、受電コイルの中空部およびフェライトの開口部を通ろうとする。
その一方で、開口部内には金属部が設けられているため、上記中空部および開口部を通る磁束は、当該金属部によって反射される。
そして、送電コイルからの磁束は、金属部が設けられていない理磁気経路を通ることになる。
その結果、受電コイルと送電コイルとが所定距離離れているときに受電コイルと鎖交する磁束量と、受電コイルと送電コイルとが近接しているときに受電コイルと鎖交する磁束量とに大きな差が生じることが抑制されている。
このため、受電コイルと送電コイルとの間の距離が変動しても結合係数が大きく変動することを抑制することができる。
本発明に係る受電装置は、他の局面では、中央に中空部が形成された受電コイルと、前記受電コイルのうち受電方向と反対側に位置する面に配置され、前記受電コイルの巻軸に沿ってみたときに前記中空部に位置する開口部が形成されたフェライトと、前記中空部および前記開口部で形成される空間内で、且つ前記受電コイルの巻軸に沿ってみたときに前記開口部内に配置され、前記フェライトよりも磁気抵抗が高い高抵抗部材とを備える。
上記の受電装置によれば、受電コイルおよび送電コイルの間の距離が変動しても、受電コイルを鎖交する磁束が大きく変動することを抑制することができ結合係数が大きく変動することを抑制することができる。
本発明に係る送電装置によれば、受電コイルと送電コイルとの間の距離が変動しても、送電コイルと受電コイルとの間の結合係数が大きく変動することを抑制することができる。本発明に係る受電装置によれば、受電コイルと送電コイルとの間の距離が変動しても送電コイルと受電コイルとの間の結合係数の変動を抑制することができる。
非接触充電システム1を模式的に示す模式図である。 非接触充電システム1を模式的に示す回路図である。 送電装置3を示す分解斜視図である。 図3に示すIV−IV線における断面図である。 送電コイル12およびフェライト15よりも上方に位置する位置P1から送電コイル12およびフェライト15を平面視したときの平面図である。 受電装置5を示す分解斜視図である。 図6に示すVII−VII線における断面図である。 収容ケース41、フェライト43および受電コイル8の下方の位置P2から収容ケース41、フェライト43および受電コイル8を平面視したときの平面図である。 送電装置3と、受電装置5とが位置合わせされた状態であって、所定距離離れた状態における断面図である。 図9に示す状態において、フェライト43を流れる磁束MFの磁気強度分布を示す平面図である。 図9に示す状態において、フェライト15を流れる磁束MFの磁気強度分布を示す平面図である。 図9に示す状態よりも、受電装置5を送電装置3に近づけた状態において、送電装置3から受電装置5に電力を送電している状態を示す断面図である。 図12に示す状態で受電装置5が受電しているときにおけるフェライト43の磁気強度分布を示す平面図である。 図12に示す状態で送電装置3が送電しているときにおいて、フェライト15の磁気強度分布を示す平面図である。 比較例に係る非接触充電システム1Aを示す断面図である。 受電装置5Aのフェライト43Aを示す平面図である。 送電装置3Aのフェライト15Aを示す平面図である。 受電コイル8Aと送電コイル12Aとを位置合わせした状態で、送電コイル12Aと受電コイル8Aとの間の距離を距離L2とした状態を示す断面図である。 図18に示す状態において、フェライト43Aの磁気強度分布を示す平面図である。 図18に示す状態において、フェライト15Aの磁気強度分布を示す平面図である。 実施の形態2に係る送電装置3を示す斜視図である。 図21に示すXXII−XXII線における断面図である。 受電装置5を示す分解斜視図である。 図23に示すXXIV−XXIV線における断面図である。 受電装置5の変形例を模式的に示す平面図である。 送電装置3の変形例を示す平面図である。 実施の形態3に係る受電装置5を示す断面図である。 磁性シート80、受電コイル8およびフェライト43の下方から磁性シート80と、受電コイル8とフェライト43を平面視したときの平面図である。 本実施の形態3に係る送電装置3を示す断面図である。 磁性シート85、送電コイル12、およびフェライト15の上方の位置P1から平面視したときの平面図である。
(実施の形態1)
図1は、非接触充電システム1を模式的に示す模式図であり、図2は、非接触充電システム1を模式的に示す回路図である。図1および図2に示すように、非接触充電システム1は、車両2に搭載された受電ユニット4と、受電ユニット4に非接触で電力を送電する送電装置3とを備える。
受電ユニット4は、送電装置3から送電される電力を受電する受電装置5と、受電装置5が受電した交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を調整する整流器6と、整流器6から供給される直流電力を蓄電するバッテリ7とを含む。
バッテリ7に蓄電された電力は、図示しない駆動用モータなどに供給され、駆動用モータは車輪を駆動する。
受電装置5は、整流器6に接続された受電コイル8およびコンデンサ9を含み、受電コイル8およびコンデンサ9によって直列LC共振回路が形成されている。
送電装置3は、電源10に接続された周波数変換器11と、周波数変換器11に接続された送電コイル12およびコンデンサ13とを含む。
周波数変換器11は、電源10から供給される交流電力の周波数を調整して送電コイル12およびコンデンサ13に供給すると共に、送電コイル12およびコンデンサ13に供給する電圧を調整する。送電コイル12およびコンデンサ13によって直列LC共振回路が形成されている。
送電コイル12およびコンデンサ13によって形成された共振回路の共振周波数と、受電コイル8およびコンデンサ9によって形成された共振回路の共振周波数とは、一致または実質的に一致するように形成されている。
送電コイル12およびコンデンサ13によって形成された共振回路のQ値と、受電コイル8およびコンデンサ9によって形成された共振回路のQ値は、いずれも、100以上である。
図3は、送電装置3を示す分解斜視図である。この図3に示すように、送電装置3は、筐体14と、筐体14内に収容された送電コイル12と、上面に送電コイル12が配置されたフェライト15と、周波数変換器11とを含む。
筐体14は、コンデンサ9などの機器を収容する空間が内部に形成された収容ケース16と、収容ケース16を覆うように配置される蓋17とを含む。
収容ケース16は、ベース板20と、ベース板20の上面に形成されると共に内部にコンデンサ9などの機器が収容される収容部21と、ベース板20の上面に形成された仕切板22とを含む。
仕切板22は、ベース板20の上面を収容部21、送電コイル12およびフェライト15が配置される領域と、周波数変換器11が配置される領域とに仕切る。
蓋17は、送電コイル12、フェライト15および収容部21を覆う樹脂蓋23と、周波数変換器11を覆うように設けられる金属蓋24とを含む。
なお、この図3に示す例においては、周波数変換器11が収容部21内に収容されていないが、収容部21内に収容するようにしてもよい。この場合には、仕切板22と金属蓋24と省略することができる。
図4は、図3に示すIV−IV線における断面図である。この図4に示すように、収容部21は、天板部25と、天板部25およびベース板20を連結すると共に各種の機器を収容する収容室を形成する区画壁26とを含む。
なお、この図4に示す断面においては、収容室27A,27B,27Cが形成されており、収容室27Bには、コンデンサ9および低電圧機器28が収容されている。なお、この図4において、送電方向TD1は、送電コイル12が送電する送電方向であり、図4に示す例においては、送電方向TD1は、鉛直方向上方に向かう方向である。なお、送電方向TD1は、送電コイル12の搭載姿勢によって異なり、送電方向TD1の方向が鉛直方向上方に限られるものではない。
図5は、送電コイル12およびフェライト15よりも上方に位置する位置P1から送電コイル12およびフェライト15を平面視したときの平面図である。
この図5に示すように、フェライト15は、互いに間隔をあけて環状に配置された複数の分割コア30を含む。
分割コア30が環状に配置されているため、フェライト15の中央部には、開口部32が形成されている。
送電コイル12は、図4および図5に示すように、巻軸O1の周囲を取り囲むように形成されている。なお、巻軸O1が送電方向TD1に沿った方向に延びるように、送電コイル12が配置されている。送電コイル12は、中空状に形成されており、送電コイル12の中央には、中空部31が形成されている。なお、送電コイル12のうち、送電方向TD1と反対側の面にフェライト15が配置されている。
そして、送電コイル12およびフェライト15の上方から送電コイル12およびフェライト15を平面視すると、開口部32は中空部31に位置している。そして、開口部32から天板部25の上面が露出している。すなわち、中空部31および開口部32によって形成される空間内で、且つ巻軸O1に沿って、天板部25を視ると、天板部25の一部が開口部32内に位置している。
図6は、受電装置5を示す分解斜視図である。この図6に示すように、受電装置5は、収容ケース41および樹脂蓋42を含む筐体40と、筐体40内に収容された受電コイル8およびフェライト43と、収容ケース41内に収容された整流器6およびコンデンサ9とを含む。
図7は、図6に示すVII−VII線における断面図である。図7に示すように、収容ケース41は、ベース板44と、ベース板44の下面に形成された収容部47とを含む。収容部47は、平坦部46と、ベース板44と、平坦部46およびベース板44を連結すると共に複数の機器を収容する収容室を形成する区画壁45とを含む。
図7に示す例においては、収容ケース41内には、収容室48A,48B,48Cが形成されており、コンデンサ9は、収容室48B内に収容されている。
各収容室48A,48B,48Cには、複数の機器49が収容されており、複数の機器49によって、整流器6が形成される。
平坦部46の上面側にコンデンサ9や機器49が配置され、平坦部46の下面側にフェライト43が配置されている。この図7において、受電方向RD1は、受電コイル8が送電コイル12から電力を受電する方向である。この図7に示す例においては、受電方向RD1は、鉛直方向下方であるが、送電コイル12の搭載姿勢などによって受電方向RD1は変わる。そして、フェライト43は、受電コイル8のうち受電方向RD1と反対側に位置する面に設けられており、この図7に示す例においては、受電コイル8の上面に受電コイル8が設けられている。
図8は、収容ケース41、フェライト43および受電コイル8の下方の位置P2から収容ケース41、フェライト43および受電コイル8を平面視したときの平面図である。
この図8に示すように、フェライト43は、環状に配置された複数の分割コア50を含み、各分割コア50は、互いに間隔をあけて配置されている。このため、フェライト43の中央部には、開口部51が形成されている。
受電コイル8は、上下方向に延びる巻軸O2の周囲を取り囲むようにコイル線を巻回することで形成されている。受電コイル8は、中空状に形成されており、受電コイル8の中央部には、中空部52が形成されている。なお、巻軸O2が受電方向RD1に沿って延びるように、受電コイル8が配置されている。
ここで、受電コイル8およびフェライト43を位置P1から平面視すると、開口部51は、中空部52に位置している。このため、収容ケース41の平坦部46は、開口部51から露出している。すなわち、図7において、中空部52および開口部51によって形成される空間内で、巻軸O1に沿って収容ケース41を視ると、平坦部46の一部が開口部51内に位置している。
上記のように構成された受電装置5および送電装置3を用いて、送電装置3から受電装置5に電力を送電するときについて説明する。
図9は、送電装置3と、受電装置5とが位置合わせされた状態であって、所定距離離れた状態における断面図である。
送電装置3と、受電装置5とが位置合わせされた状態とは、たとえば、受電コイル8の巻軸O2と、送電コイル12の巻軸O1とが一致した状態である。なお、この図9においては、受電コイル8と送電コイル12との鉛直方向の距離は、距離L1である。
そして、送電装置3の送電コイル12に電流が供給されると、送電コイル12の周囲に磁束MFが発生する。
この磁束MFは、たとえば、フェライト15のうち送電コイル12よりも外周側に位置する部分と、ギャップと、フェライト43のうち受電コイル8よりも外周側に位置する部分とを順次通る。さらに、磁束MFは、フェライト43内を通り、フェライト43のうち受電コイル8よりも内周側に位置する部分と、ギャップと、フェライト15のうち送電コイル12よりも内周側と、フェライト15内とを順次通る。
なお、送電コイル12に供給される電力は交流電力であるため、磁束MFの流通方向は、上記の経路と、上記の経路の反対方向の経路とが周期的に切り替わる。
図10は、図9に示す状態において、フェライト43を流れる磁束MFの磁気強度分布を示す平面図である。この図10において、領域R2は、領域R1よりも磁気強度が高い領域である。
この図10に示す例においては、各分割コア50において、受電コイル8よりも内側に位置する部分に領域R1および領域R2が位置している。そして、領域R2は、受電コイル8の中空部52に沿って分布しており、領域R1は、この領域R2よりも巻軸O2側に分布している。
各分割コア50において、受電コイル8よりも外側に位置する部分にも領域R1および領域R2が分布している。領域R2は、受電コイル8の外周縁部に沿って分布しており、領域R1は、領域R2の外側に分布している。
図11は、図9に示す状態において、フェライト15を流れる磁束MFの磁気強度分布を示す平面図である。この図11に示すように、各分割コア30のうち送電コイル12よりも内周側に位置する部分には領域R1および領域R2が分布している。領域R2は送電コイル12の中空部31に沿って分布している。領域R1は、領域R2よりも巻軸O1側に分布している。
図12は、図9に示す状態よりも、受電装置5を送電装置3に近づけた状態において、送電装置3から受電装置5に電力を送電している状態を示す断面図である。なお、この図12においては、受電コイル8の巻軸O2と、送電コイル12の巻軸O1とを一致させた状態で、受電コイル8と送電コイル12との間の距離は距離L2としている。なお、距離L2は、距離L1よりも短い。
この図12に示す状態において、送電コイル12に電力が供給されると、送電コイル12の周囲に磁束MFが形成される。ここで、送電コイル12と受電コイル8との間の距離が短くなり、送電コイル12と受電コイル8との間のギャップが短くなるので、磁束MFが通る磁気経路の磁気抵抗が小さくなる。
これにより、受電コイル8と送電コイル12との間を通る磁束量は、図9に示す状態において、受電コイル8と送電コイル12との間を通る磁束量よりも多くなる。
その一方で、受電コイル8と送電コイル12とが近接することで、開口部51から露出する受電装置5の平坦部46に入射する磁束MFも多くなる。
ここで、平坦部46は、金属によって形成されているため、平坦部46に磁束MFが入射すると、平坦部46の表面に渦電流が発生する。この渦電流によって磁界が発生し、この磁界は、入射してくる磁束MFを減らす方向に分布する。その結果、平坦部46に入射してくる磁束MFは、平坦部46で反射されることになる。
このように平坦部46で反射された磁束MFは、受電コイル8に案内されずに、外部に向けて出射する。
この結果、フェライト43に入射する磁束MFによって受電コイル8は電力を受電することになる。
また、受電コイル8と送電コイル12とが近接すると、送電装置3においても、受電コイル8から戻ってくる磁束MFの一部が、天板部25に入射する。
この場合においても、天板部25が金属によって形成されているため、天板部25に磁束MFが入射すると、天板部25の表面に渦電流が流れ、磁束MFが反射される。
このように、磁束MFが反射されると、当該磁束MFが送電コイル12に戻る経路長が長くなる。
このように磁気経路の経路長が長くなると、磁気経路の磁気抵抗が高くなり、当該経路を流れる磁束量は少なくなる。
図13は、図12に示す状態で受電装置5が受電しているときにおけるフェライト43の磁気強度分布を示す平面図である。なお、この図13において、領域R3は、領域R2よりも磁気強度の高い領域を示す。
この図13に示すように、各分割コア50のうち、受電コイル8の内側に位置する部分には、領域R2および領域R3が分布している。領域R3は、受電コイル8の中空部52に沿って分布しており、領域R2は、領域R3よりも巻軸O2側に位置している。
また、各分割コア50のうち、受電コイル8よりも外側に位置する部分にも領域R2および領域R3が分布している。領域R3は、受電コイル8の外周縁部に沿って分布しており、領域R2は、領域R3の外側に分布している。
図14は、図12に示す状態で送電装置3が送電しているときにおいて、フェライト15の磁気強度分布を示す平面図である。
この図14に示すように、各分割コア30のうち送電コイル12よりも巻軸O1側に位置する部分には、領域R2および領域R3が分布しており、領域R3は、送電コイル12の中空部31に沿って分布している。領域R2は、この領域R3よりも巻軸O1側に分布している。
また、分割コア30のうち送電コイル12よりも外周側に位置する部分には、領域R2および領域R3が分布している。領域R3は、送電コイル12の外周縁部に沿って分布しており、領域R2は、この領域R3よりも外側に分布している。
次に、図15などを用いて、比較例に係る送電装置3Aおよび受電装置5Aを用いて、電力伝送した場合と、本実施の形態に係る送電装置3および受電装置5を用いて電力伝送した場合とを比較検討する。
図15は、比較例に係る非接触充電システム1Aを示す断面図である。非接触充電システム1Aは、送電装置3Aおよび受電装置5Aを含む。送電装置3Aは、収容ケース16Aと、収容ケース16Aの天板部25A上に配置されたフェライト15Aと、フェライト15A上に配置された送電コイル12Aとを含む。送電コイル12Aは、巻軸O1Aの周囲を取り囲むようにコイル線を巻回することで形成されている。
また、受電装置5Aは、収容ケース41Aと、収容ケース41Aの平坦部46Aの下面に配置されたフェライト43Aと、フェライト43Aの下面に配置された受電コイル8Aとを含む。受電コイル8Aは、巻軸O2Aの周囲を取り囲むようにコイル線を巻回して形成されている。
そして、送電コイル12Aに電力が供給されて、送電コイル12Aと受電コイル8Aとを通る磁束MFが形成される。
図16は、受電装置5Aのフェライト43Aを示す平面図である。この図16に示すように、フェライト43Aは、環状に配置された複数の分割コア50Aと、この環状に配置された分割コア50Aの内側に配置された分割コア50Bとを含む。
このように、フェライト43Aは、図10などに示す開口部51に対応する部分に分割コア50Bが配置されている。
図17は、送電装置3Aのフェライト15Aを示す平面図である。この図17に示すように、フェライト15Aは、環状に配置された分割コア30Aと、この環状に配置された分割コア30Aの内側に配置された複数の分割コア30Bとを含む。
このように、フェライト15Aは、図11などに示す開口部32に対応する部分に分割コア30Bが配置されている。
図15において、送電コイル12Aと、受電コイル8Aとの間の距離は、距離L1であり、送電コイル12Aと受電コイル8Aとは互いに位置合わせされた状態である。
ここで、送電コイル12Aに電力が供給されると、送電コイル12Aと受電コイル8Aとの間で磁束MFが流れ、フェライト43A内にも磁束MFが流れる。
図16において、領域R0は、領域R1よりも磁気強度が低い領域を示す。そして、分割コア50Bのうち、巻軸O2Aの近傍に位置する部分に領域R0が分布しており、この領域R0の外周側に領域R1が分布している。
分割コア50Aにおいては、分割コア50Aのうち受電コイル8Aよりも内側に位置する部分には、領域R1および領域R2が分布している。領域R2は、受電コイル8Aの中空部52に沿って分布しており、領域R1は領域R2よりも巻軸O2A側に位置している。分割コア50Aのうち、受電コイル8Aの外周に沿って領域R2が分布し、領域R2の外側に領域R1が分布している。
図17において、分割コア30Bのうち、巻軸O1Aの近傍に領域R0が分布しており、領域R0の外側に領域R1が分布している。
分割コア30Aのうち送電コイル12Aよりも巻軸O1側に位置する部分には領域R1および領域R2が分布している。領域R2は、送電コイル12Aの中空部31に沿って分布しており、領域R1は、領域R2よりも巻軸O1A側に分布している。
分割コア30Aのうち、送電コイル12Aよりも外側に位置する部分にも、領域R1おおよ領域R2が分布している。領域R1は、送電コイル12Aの外周縁部に沿って分布しており、領域R2は領域R1の外周側に分布している。
ここで、図16に示す磁気強度分布と、図10に示す磁気強度分布とを比較する。図10に示す分割コア50の磁気強度分布と、図16に示す分割コア50Aの磁気強度分布とは、近似している。そして、図16に示す分割コア50Bにも磁束MFが入射している一方で、分割コア50Bの磁気強度分布は低く、分割コア50Bには、殆ど磁束MFの出入りはないことが分かる。
図17に示すフェライト15の磁気強度分布と、図11に示すフェライト15Aの磁気強度分布とを比較する。
図17に示す分割コア30Aの磁気強度分布と、図11に示す分割コア30の磁気強度分布とは、略近似していることが分かる。その一方で、図17に示す分割コア30Bに入射などする磁束量は少ないことが分かる。
このように、図9において、受電コイル8と送電コイル12とを通る磁束量と、図15において、受電コイル8Aと送電コイル12Aとを通る磁束量とは近似することが分かる。そのため、図9において、受電コイル8と送電コイル12との間の結合係数と、図15において、受電コイル8Aと送電コイル12Aとの間の結合係数とに殆ど差が生じないことが分かる。
次に、図18は、受電コイル8Aと送電コイル12Aとを位置合わせした状態で、送電コイル12Aと受電コイル8Aとの間の距離を距離L2とした状態を示す断面図である。
この図18において、受電コイル8Aと送電コイル12Aとが近接することで、受電コイル8Aと送電コイル12Aとの間で多くの磁束MFが流れようとする。
この図18において、送電コイル12Aと受電コイル8Aとを通る磁束は、主に、2つの磁気経路を通る。
1つ目の磁気経路は、分割コア30Aと、ギャップと、分割コア50Aと、ギャップと、分割コア30Aとを順次通る磁気経路である。2つ目の磁気経路は、分割コア30Aと、ギャップと、分割コア50Aと、分割コア50Bと、ギャップと、分割コア30Bと、分割コア30Aとを順次通る磁気経路である。
図19は、図18に示す状態において、フェライト43Aの磁気強度分布を示す平面図である。なお、図19において、領域R4は、領域R3よりも磁気強度の高い領域を示し、領域R5は、領域R4よりも磁気強度の高い領域を示す。図19に示すように、分割コア50Bの巻軸O2の近傍には、領域R1が分布しており、この領域R1の外側に領域R2および領域R3が分布している。
そして、分割コア50Aのうち、受電コイル8Aの内側には、領域R3および領域R4が分布しており、分割コア50Aのうち、受電コイル8Aの外側に位置する部分には、領域R4および領域R3が順次分布している。
ここで、図16および図19を比較すると、受電コイル8Aと送電コイル12Aとの間の距離が短くなると、フェライト43Aを流れる磁束量が非常に多くなることが分かる。
上記のような現象が生じる1つの理由としては、フェライト43Aには、分割コア50Bが設けられているため、受電コイル8Aと送電コイル12Aとが近接した際に、磁束MFが分割コア50Bに入り込み、受電コイル8Aと鎖交した後、送電コイル12Aに向けて戻る経路が形成されるためである。
図20は、図18に示す状態において、フェライト15Aの磁気強度分布を示す平面図である。この図20に示すように、分割コア30Bのうち巻軸O1の周囲に位置する部分には、領域R1が分布している。そして、この領域R1の周囲には、領域R2および領域R3が順次分布している。さらに、分割コア30Aのうち送電コイル12Aよりも内側に位置する部分には、領域R3および領域R4が分布している。領域R4は、送電コイル12Aの中空部31Aに沿って分布しており、領域R3は領域R4よりも巻軸O1A側に分布している。
分割コア30Aのうち送電コイル12Aよりも外側には、領域R3および領域R4が分布しており、領域R4は、送電コイル12Aの外周縁部に沿って分布している。
次に、図17および図20を比較すると、受電コイル8Aと送電コイル12Aとの間の距離が短くなると、フェライト15Aを流れる磁束量が非常に多くなることが分かる。
これは、送電コイル12Aによって形成された磁束MFが、分割コア30Bを通って、受電コイル8Aに向かい、その後、分割コア30Aの外周部分に戻ってくる磁気経路が形成されるためである。
その結果、比較例に係る非接触充電システム1Aにおいては、受電コイル8Aと送電コイル12Aとの間の距離が短くなると、受電コイル8Aと送電コイル12Aとの間の結合係数が大きくなることが分かる。
次に、図19に示されたフェライト43Aの磁気強度分布と、図13に示すフェライト43の磁気強度分布とを比較する。
まず、分割コア50,50Aのうち、受電コイル8,8Aよりも内周側に位置する部分とを比較すると、分割コア50Aの方が磁気強度が高いことが分かる。
また、分割コア50,50Aのうち、受電コイル8,8Aよりも外側に位置する部分とを比較すると、分割コア50Aの方が磁気強度が高いことが分かる。
さらに、図19に示す分割コア50Bにも領域R1、領域R2および領域R3が分布しており、分割コア50Bに多くの磁束が流れていることが分かる。
つまり、図19に示すフェライト43Aを流れる磁束量の方が、図13に示すフェライト43を流れる磁束量の方が遥かに多いことが分かる。
次に、図20に示すフェライト15Aの磁気強度分布と、図14に示すフェライト15の磁気強度分布とを比較する。図20および図14からも明なように、フェライト15Aを流れる磁束量の方が、フェライト15を流れる磁束量よりも遥かに多いことが分かる。
図10、図11、図13、図14、図16、図17、図18および図19から明らかなように、比較例に係る非接触充電システム1Aにおいては、受電コイル8Aと、送電コイル12Aとの間の距離が短くなると、受電コイル8Aおよび送電コイル12Aとの間を通る磁束量が多くなり、コイル間の結合係数が大きくなるように変化することが分かる。その一方で、本実施の形態1に係る非接触充電システム1においては、受電コイル8と送電コイル12との間の距離が短くなると、受電コイル8および送電コイル12の間を通る磁束量の増加量は、比較例の増加量よりも少ないことが分かる。このため、コイル間距離が短くなった場合において、本実施の形態1に係る非接触充電システム1は、比較例よりも結合係数の変化量(増加量)が小さいことが分かる。
本実施の形態に係る非接触充電システム1においては、図12からも明なように、送電コイル12および受電コイル8の間の距離が短くなった際に、開口部51から露出する平坦部46によって磁束MFが反射されたり、開口部32から露出する天板部25によって磁束MFが反射されるためである。
その一方で、比較例に係る非接触充電システム1Aにおいては、送電コイル12Aおよび受電コイル8Aの距離が短くなった際に、中空部52Aおよび中空部31A内に入射した磁束MFが分割コア30B,50B内を通り、送電コイル12Aおよび受電コイル8A間を流れることができるためである。
このように、本実施の形態1に係る非接触充電システム1においては、たとえば、図1において、車両2が停車して充電を開始した後、使用者が車両2に荷物を載せたり、または、車両2から荷物を取り出したりすることで、車両2の車高が変動したとしても、結合係数の変動を抑制することができる。
送電装置3において、収容ケース16の一部である天板部25によって磁束を反射しており、結合係数の変動を抑制している。収容ケース16は、内部に収容された低電圧機器28などからのノイズが外部に漏れることを抑制しており、当該収容ケース16の一部を磁束を反射する金属物として利用するしている。このため、収容ケース16以外に金属物を設ける必要がなく、部品点数の低減を図ることができる。
同様に、受電装置5においては、機器49からのノイズが外部に漏れることを抑制する収容ケース41の一部を用いて送電コイル12からの磁束の一部を反射している。このため、受電装置5においても、収容ケース41以外に磁束を反射する部材を設ける必要がなく、部品点数の低減が図られている。
(実施の形態2)
図21などを用いて、実施の形態2に係る送電装置3および受電装置5について説明する。なお、上記図1から図20に示す構成のうち、図21などで示す構成と同一または実質的に同じ構成については、同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。
図21は、実施の形態2に係る送電装置3を示す斜視図である。この図21に示すように、収容ケース16は、ベース板20と、ベース板20の上面に形成された収容部21とを含み、収容部21には、突出部55が形成されている。
図22は、図21に示すXXII−XXII線における断面図である。この図22に示すよう、収容部21は、上面にフェライト15が配置され平坦部57と、平坦部57の中央部に形成され、上方に向けて突出する突出部55と、平坦部57の下面に形成された複数の区画壁26とを含む。
突出部55は、天板部25と、天板部25の外周縁部から垂下して平坦部57に接続された周壁部56とを含む。突出部55は、開口部32から中空部31に向けて突出するように形成されており、開口部32および中空部31内に位置している。この突出部55の中央部に巻軸O1が通るように、突出部55は配置されている。
周壁部56は、突出部55の中央部に位置する巻軸O1に向けて張り出すように湾曲面状に形成されてる。ここで、周壁部56は、環状に形成されており、巻軸O1に対して垂直な方向における突出部55の幅は、送電方向TD1に向かうにつれて小さくなるように形成されている。
上記のように形成された突出部55は、中空状に形成されており、この図22に示す例においては、突出部55内にコンデンサ9、周波数変換器11および低電圧機器28が配置されている。
このように、収容部21内に周波数変換器11も収容することで、図21からも明らかなように、送電装置3の設置面積を小さくすることができる。
図23は、受電装置5を示す分解斜視図である。この図23に示すように、収容ケース41は、ベース板44と、ベース板44の下面に形成された収容部47と、収容部47に形成された突出部60とを含む。
図24は、図23に示すXXIV−XXIV線における断面図である。この図24に示すように、収容ケース41は、ベース板44と、ベース板44の下面に形成された収容部47とを含む。収容部47は、下面にフェライト43が配置された平坦部46と、平坦部46の中央部から下方に向けて突出する突出部60と、平坦部46の上面に形成されるとと共にベース板44と平坦部46とを連結する区画壁45とを含む。突出部60は、開口部51から中空部52に向けて突出している。なお、巻軸O2に沿った方向で、突出部60を視ると、突出部60は、開口部51内に位置している。突出部60の中央部に、巻軸O2が位置するように突出部60が形成されている。
突出部60は、底面部62と、底面部62の外周縁部から上方に向けて延び、平坦部46に接続された周壁部63とを含む。
周壁部63は環状に形成されている。周壁部63は、突出部60の中央部に向けて張り出すように湾曲面状に形成されている。ここで、巻軸O2が受電方向RD1に沿うように、受電コイル8が配置されている。突出部60の幅の幅は、受電方向RD1に向かうにつれて小さくなる。
上記のように形成された突出部60は、中空状に形成されており、この図23に示す例においては、突出部60内にコンデンサ9および複数の機器49が収容されている。このように、突出部60を形成することで、機器を収容する空間を確保することができ、受電装置5の設置面積を小さく抑えることができる。
上記のように構成された送電装置3および受電装置5の間で電力伝送したときについて説明する。
図22に示すように、開口部32から突出部55が露出している。また、図24に示すように、開口部51から突出部60が露出している。このため、本実施の形態2に係る非接触充電システム1においても、受電コイル8と送電コイル12との間の距離が変動したとしても、上記実施の形態1と同様に、受電コイル8と送電コイル12との間の結合係数が変動することを抑制することができる。
ここで、送電装置3から受電装置5に電力を送電する際には、図22に示すように、フェライト15の内周面からも磁束MFが出入りする。この磁束MFは、開口部32から水平方向に離れるにつれて、上方に向かうような曲線状の経路を通る。
その一方で、図23に示すように、周壁部56も、上記の磁束MFの経路に沿って湾曲面状に形成されている。これにより、磁束MFが周壁部56に入射することが抑制されている。
同様に、受電装置5が電力を受電する際には、図24に示すようにフェライト43の内周面から磁束MFが出入りする。この磁束MFは、フェライト43の内周面から水平方向に離れるにつれて、下方に向かうような曲線状の経路を通る。
その一方で、周壁部63も、上記磁束MFの経路に沿って湾曲面状に形成されているため、磁束MFが周壁部63内に入り込むことを抑制することができる。
上記実施の形態1,2においては、金属製の収容ケース16,41の一部を露出させることで、磁束を反射させて、送電コイルおよび受電コイルの結合係数が変動することを抑制している。これにより、各収容ケース16,41内に収容された各種の機器から発生するノイズが外部に漏れることを抑制することができると共に、新たな金属部材を用いずに、結合係数の変動抑制を図ることができる。なお、磁束を反射させる構成として、収容ケースの一部である必要はなく、受電コイルの中空部内であって、フェライトの開口部内に配置された金属片(金属物)が設けられておればよい。
図25は、受電装置5の変形例を模式的に示す平面図である。この図25に示すように、受電装置5は、開口部51が形成されたフェライト43と、このフェライト43の下面に配置されると共に中央に中空部52が形成された受電コイル8と、金属片70とを含む。
金属片70と、フェライト43と、受電コイル8との下方から、金属片70と、フェライト43と、受電コイル8とを平面視すると、金属片70は、開口部51内に配置されている。
また、図26は、送電装置3の変形例を示す平面図である。この図26に示すように、送電装置3は、中央部に開口部32が形成されたフェライト15と、このフェライト15の上面に配置された送電コイル12と、金属片71とを含む。
金属片71と、フェライト15と、送電コイル12との上方から金属片71とフェライト15と送電コイル12とを平面視すると、金属片71は、開口部32内に位置している。
なお、金属片70および金属片71は、たとえば、アルミニウムや銅などによって形成されている。このような金属は、磁束の電気抵抗が低いため、磁束MFが入射した際に、多くの渦電流が流れ、渦電流によって形成される磁界強度を高めることができる。これにより、金属片70および金属片71において、磁束MFを良好に反射させることができる。
このように、金属片70,71が磁束MFを反射することができるので、上記実施の形態1,2と同様に、上下方向におけるコイル間距離が変動しても、送電コイル12および受電コイル8間の結合係数の変動を抑制することができる。
(実施の形態3)
上記実施の形態1,2においては、各コイルの中空部内に入射する磁束を反射することで、結合係数の変動を抑制している。結合係数の変動を抑制する方法としては、上記のような手法に限られない。
図27などを用いて、本実施の形態3に係る送電装置および受電装置について説明する。なお、上記図1から図26に示す構成と同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する場合がある。
図27は、実施の形態3に係る受電装置5を示す断面図である。この図27に示すように、受電装置5は、開口部51から露出する平坦部46の下面に配置された磁性シート80を含む。
磁性シート80は、平坦部46の下面に接着する接着層81と、接着層81の下面に形成された磁性層82とを含む。
ここで、磁性層82の厚さは、分割コア50(フェライト43)の厚さと比較して遥かに薄い。このため、磁性層82に入射した磁束MFが、フェライト43に向けて流れる際に、磁束MFが流れることができる流路面積は、分割コア50内を磁束MFが流れることができる流路面積よりも遥かに小さい。このため、磁性層82内を磁束MFが流れるときの磁気抵抗は、分割コア50内を磁束MFが流れるときの磁気抵抗よりも高い。
また、磁性層82を形成するフェライト材料と、分割コア50を形成するフェライトの材料を異ならせてもよい。具体的には、磁性層82を形成するフェライト材料の透磁率を分割コア50を形成するフェライトの透磁率よりも低くする。たとえば、磁性層82をニッケル亜鉛系のフェライトで形成し、分割コア50をマンガン亜鉛系のフェライトで形成する。
図28は、磁性シート80、受電コイル8およびフェライト43の下方から磁性シート80と、受電コイル8とフェライト43を平面視したときの平面図である。この図28に示すように、磁性シート80は、受電コイル8の中空部52内であって、フェライト43の開口部51内に位置している。
このため、電力伝送時に、開口部51内に向けて磁束MFが入射してくると、磁性シート80内に入射する。この磁束MFは、磁性シート80と、フェライト43の内周面と、分割コア50と、分割コア50の外周縁部とを順次とおり、送電コイル12に戻る経路を辿る。
しかし、磁性シート80の磁性層82の磁気抵抗は、フェライト43の磁気抵抗よりも高いため、上記の磁気経路の磁気抵抗が高い。このため、上記の磁気経路を通る磁束量は少ない。
このため、受電コイル8および送電コイル12の距離が短くなった場合においても、開口部51内を通る磁束量が増大することを抑制することができる。これにより、結果として、受電コイル8と送電コイル12との間の距離が短くなったとしても、受電コイル8を鎖交する磁束量の増大を抑制することができ、上記の比較例と比較して、結合係数が大きくなることを抑制することができる。
なお、磁性シート80の磁性層82は、フェライトによって形成されており、電気抵抗は、アルミニウムや銅よりも遥かに電気抵抗が高い。このため、磁束MFが磁性シート80に入射しても渦電流が殆ど流れない。このため、渦電流による発熱が殆どなく、磁性シート80自体が高温となることを抑制することができる。
図29は、本実施の形態3に係る送電装置3を示す断面図である。図29に示すように、送電装置3は、天板部25の上面に設けられた磁性シート85を含み、磁性シート85は、接着層86と、この接着層86の上面に形成された磁性層87とを含む。
磁性層87の厚さは、分割コア50の厚さよりも遥かに薄い。このため、磁性層87内を磁束MFが通ることができる流通面積は、分割コア50内を磁束MFが流れるときの磁束MFの流通面積よりも小さい。
このため、分割コア50内を磁束MFが流れるときの分割コア50の磁気抵抗よりも、磁性層87を磁束MFが通るときの磁気抵抗は、遥かに大きい。
図30は、磁性シート85、送電コイル12、およびフェライト15の上方の位置P1から磁性シート85、送電コイル12、およびフェライト15を平面視したときの平面図である。この図30に示すように、磁性シート85は、送電コイル12の中空部31およびフェライト15の開口部32内に位置している。
このため、開口部32内に向けて、磁束MFが入射してきた場合には、当該磁束MFは、磁性シート85内に入射することになる。
上記のように、磁性シート85の磁気抵抗は、分割コア50の磁気抵抗よりも高いため、磁性シート85、分割コア50の内周面、分割コア50内および分割コア50の外周縁部を通る磁気抵抗が高くなる。
このため、送電コイル12と受電コイル8とが近接したとしても、開口部32を通り、送電コイル12および受電コイル8を通る磁束が増えることを抑制することができる。
これにより、送電コイル12および受電コイル8が、所定距離から離れた位置から近接するように変位したとしても、上記の比較例の場合と比較して、送電コイル12および受電コイル8の間の結合係数が変動することを抑制することができる。
なお、本実施の形態においては、フェライト15,43などよりも磁束が通るときの磁気抵抗が高い高抵抗部材として、磁性シートを採用した例について説明したが、磁気抵抗の高い高抵抗部材としては、磁性シートに限られず、ネオジム磁石などを配置してもよい。
なお、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
本件発明は、受電装置および送電装置に適用することができる。
1,1A 非接触充電システム、2 車両、3,3A 送電装置、4 受電ユニット、5,5A 受電装置、6 整流器、7 バッテリ、8,8A 受電コイル、9,13 コンデンサ、10 電源、11 周波数変換器、12,12A 送電コイル、14,40 筐体、15,15A,43,43A フェライト、16,16A,41,41A 収容ケース、17 蓋、20,44 ベース板、21,47 収容部、22 仕切板、23,42 樹脂蓋、24 金属蓋、25,25A 天板部、26,45 区画壁、27A,27B,27C,48A,48B,48C 収容室、28 低電圧機器、30,30A,30B,50,50A,50B 分割コア、31,31A,52,52A 中空部、32,51 開口部、46,46A 底面部、49 機器、55,60 突出部、56,63 周壁部、57 平坦部、62 端面、70,71 金属片、80,85 磁性シート、81,86 接着層、82,87 磁性層。

Claims (3)

  1. 巻回軸線の周囲を取り囲むように形成され、前記巻回軸線が通る位置に中空部が形成されると共に、前記巻回軸線の延びる方向に配列する第1主面および第2主面とを含む平状のコイルと、
    前記第1主面に設けられ、前記巻回軸線の延びる方向に沿って視たときに前記中空部が位置する部分に開口部が形成されたフェライト板と、
    前記フェライト板に対して前記コイルと反対側に設けられた金属板と、
    前記金属板に対して前記フェライト板と反対側に設けられると共に、前記金属板から間隔をあけて設けられたベース板と、
    前記金属板および前記ベース板の間に配置されると共に、前記コイルに接続されたコンデンサと、
    前記金属板および前記ベース板の間に配置された低電圧機器と、
    前記コイルと、前記フェライト板と、前記金属板と、前記コンデンサと、前記低電圧機器を覆うように、前記ベース板に設けられた樹脂蓋と、
    前記樹脂蓋に対して隣り合うように、前記ベース板に設けられた金属蓋と、
    前記ベース板および前記金属蓋の間に設けられると共に、前記コンデンサに接続されると共に、前記低電圧機器に印加される電圧よりも高い電圧が印加される高電圧機器と、
    を備えた、コイルユニット。
  2. 前記ベース板には、前記金属板に接続されると共に、前記金属板を支持する金属製の壁が形成された、請求項1に記載のコイルユニット。
  3. 前記金属板には、前記コイルの中空部に向けて突出する突出部が形成されており、
    前記突出部内に前記コンデンサが配置された、請求項1または請求項2に記載のコイルユニット。
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