JP6519541B2 - コイルユニット - Google Patents

Description

本明細書に記載されたコイルユニットは、フェライト板およびコイルを含むコイルユニットに関し、特に、非接触充電システムに用いられるコイルユニットに関する。

従来から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２〜６）。そして、特開２０１５−２０４７３１号公報に記載された受電装置としてのコイルユニットは、受電コイルと、フェライト板と、受電コイルおよびフェライト板を収容する収容ケースとを含む。このコイルユニットは、車両の底面に固定されており、送電装置は、地面などに固定されている。

具体的には、コイルユニットは収容ケースの外周縁部に形成されたフランジを含み、フランジに形成された穴にボルトを挿入し、コイルユニットは、このボルトによってフロアパネルの下面に固定されている。

特開２０１５−２０４７３１号公報 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

本願の発明者等は、フェライト板と、フェライト板の上面に配置された渦巻型コイルにおいて、高い電力伝送効率と、製造コストの低廉化を図るために、下記のようなコイルユニットについて検討した。

検討したコイルユニットは、収容ケースと、収容ケース内に設けられた板状のフェライト板と、フェライト板の上面に配置されると共に、複数の曲げ部および辺部を含む多角形形状のコイルとを含む。そして、フェライト板には、コイルの辺部と対向する位置に切欠部が形成されている。そして、収容ケースの外周縁部をボルトでフロアパネルや地面などの固定部材に固定した。

しかし、上記のようなコイルユニットを用いて、電力送電または電力受電をすると、ボルトが高温になることを見出した。

本明細書に記載されたコイルユニットは、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、効率の確保、製造コストの低廉化およびボルトなどの固定部の高温化が抑制されたコイルユニットを提供することである。

本明細書に記載されたコイルユニットは、厚さ方向に配列する第１主表面および第２主表面を含み板状に形成されたフェライト板と、第１主表面に配置されると共に、厚さ方向に延びる巻回軸線の周囲を取り囲むように配置されたコイルと、フェライト板およびコイルを収容する収容ケースと、収容ケースを外部の固定部材に固定する複数の固定部とを備える。

上記コイルは、複数の曲げ部と、隣り合う曲げ部を接続する辺部とを含む。上記厚さ方向に離れた位置からフェライト板を見ると、フェライト板は曲げ部と重なり合う位置に設けられた角部ピースを含み、フェライト板には辺部と重なり合う位置に切欠部が形成される。上記角部ピースは、曲げ部の内周縁から外周縁に向けて延びる空隙部を間に挟んで配置された第１分割フェライト板および第２分割フェライト板を含む。上記複数の固定部の少なくとも一部の固定部は、空隙部または切欠部の少なくとも一方の延長上に設けられる。

上記のコイルユニットにおいて、電力送電または電力受電中において、空隙部を流れる磁束は少なく、また、切欠部を通る磁束も少ない。そのため、空隙部または切欠部の延長上に固定部を配置したとしても、固定部が磁束によって加熱されることを抑制することができる。

さらに、切欠部が形成されているので、必要とされるフェライト量の低減が図られており、製造コストの低廉化が図られている。

また、コイルの辺部の下側には切欠部が形成されており、コイルの辺部の周囲を流れる磁束量が低減される。これに伴い、コイルの曲げ部の周囲および角部ピースを通る磁束量が多くなる。

コイルの曲げ部の周囲および角部ピースを通る磁気経路の実質径は、コイルの辺部の周囲を通る磁気経路の実質径よりも大きく、相手側のコイルに達しやすい。その結果、コイルの曲げ部の周囲および角部ピースを通る磁束量が多くなると、相手側のコイルと鎖交する磁束量も多くなる。その結果、送電効率または受電効率の向上を図ることができる。

本明細書に記載されたコイルユニットによれば、効率の確保、製造コストの低廉化およびボルトなどの固定部の高温化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を模式的に示す電気回路図である。 コイルユニット４を示す分解斜視図である。 ケース本体２１、受電コイル８およびフェライト板２４を示す平面図である。 地面側に配置されたコイルユニット３から車両２に搭載されたコイルユニット４に電力を送電する様子を模式的に示す模式図である。 コイルユニット４の一部を示す断面図であり、この図６に示すようように、磁束経路ＭＰ４を通る磁束ＭＦは、切欠部５６を通る際に、空気中を通ることになる。 図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図である。 図５のように電力を受電中におけるコイルユニット４における磁束密度分布を示す平面図である。

図１から図８を用いて、実施の形態に係るコイルユニットについて説明する。なお、図１から図８に示す構成のうち、同一の構成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重複した説明を省略する場合がある。

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を模式的に示す電気回路図である。なお、図１などにおいて、「Ｕ」は、上方向を示す。「Ｄ」は、下方向を示す。図１および図２に示すように、非接触充電システム１は、コイルユニット４およびバッテリ７が搭載された車両２と、車両２の外部に設けられたコイルユニット３とを含む。

コイルユニット４は、車両２のフロアパネル１５の下面に設けられており、コイルユニット３から非接触で電力を受電する。

コイルユニット４は、共振器５と、共振器５に接続された整流器６とを含む。共振器５は、受電コイル８およびコンデンサ９とを含み、受電コイル８およびコンデンサ９によってＬＣ共振回路が形成されている。整流器６は、共振器５が受電した交流電力を直流電力に変換して、バッテリ７に供給する。

コイルユニット３は、共振器１４と、変換器１１とを含む。共振器１４は、送電コイル１２とコンデンサ１３とを含み、送電コイル１２およびコンデンサ１３によってＬＣ共振回路が形成されている。

変換器１１は、電源１０に接続されており、電源１０から供給される交流電流の周波数を調整すると共に、電圧を調整して、共振器１４に供給する。

図３は、コイルユニット４を示す分解斜視図である。この図３に示すように、コイルユニット４は、収容ケース２０と、収容ケース２０内に収容された受電コイル８、ボビン２３、フェライト板２４、支持板２５および基板２６とを含む。

収容ケース２０は、フロアパネル１５などに固定されるケース本体２１と、ケース本体２１を下方から覆うように設けられた樹脂蓋２２とを含む。ケース本体２１は、たとえば、アルミニウムやアルミニウム合金によって形成されている。

ケース本体２１は、天板部３０と、天板部３０の下面３３に形成された環状壁部３１と、環状壁部３１内に配置された複数の支持壁３２とを含む。天板部３０の外周縁部には、外方に向けて突出する台座３４および張出部２７が形成されている。台座３４には、ネジ穴３５が形成されており、張出部２７にもネジ穴２８が形成されている。そして、ボルト４２がネジ穴３５に挿入され、ボルト４２は、車両２のフロアパネルなどに収容ケース２０を固定する。なお、ボルト４２は、鉄などによって形成されている。

環状壁部３１は、天板部３０の周縁部に沿って延びている。環状壁部３１と、天板部３０の外周縁部との間には、複数のボス３８が配置されており、ボス３８には穴部３９が形成されている。

基板２６は、ケース本体２１の下面側に固定されており、この基板２６には、コンデンサ９や整流器６などの電気素子が実装されている。

支持板２５は、基板２６の下面側に配置されている。支持板２５は、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成されている。

フェライト板２４は、支持板２５の下面側に配置されている。フェライト板２４は、板状に形成されている。フェライト板２４は、厚さ方向ＴＤに配列する上面４４および下面４５を含む。

フェライト板２４の下面４５側には、ボビン２３が配置されている。ボビン２３は、樹脂などによって形成されており、ボビン２３の下面には、コイル溝４３が形成されている。ボビン２３の外周縁部には、複数のピン１６が形成されており、各ピン１６は上方に向けて突出している。このピン１６がボス３８の穴部３９に挿入されることで、ボビン２３がケース本体２１に固定される。

受電コイル８は、コイル溝４３に収容されている。受電コイル８は、厚さ方向ＴＤに延びる巻回軸線Ｏ１の周囲を取り囲むように形成されている。なお、この図３に示す例においては、巻回軸線Ｏ１は、上下方向に延びている。受電コイル８は、渦巻型コイルであり、中央部に開口部４９が形成されている。

樹脂蓋２２は、受電コイル８の下方に配置されている。樹脂蓋２２は、樹脂蓋２２の外周縁部に形成された複数の張出部４６が形成されている。各張出部４６には穴部４７が形成されている。樹脂蓋２２は、ボルト４８によって、ケース本体２１に固定されている。ボルト４８は、樹脂蓋２２の穴部４７と、ケース本体２１のネジ穴２８とに挿入され、樹脂蓋２２をケース本体２１に固定する。なお、ボルト４８は鉄などによって形成されている。

図４は、ケース本体２１、受電コイル８およびフェライト板２４を示す平面図である。この図４に示すように、受電コイル８は、角部が湾曲状の多角形形状に形成されており、図４などに示す例においては、四角形形状に形成されている。受電コイル８は、複数の曲げ部５０と、隣り合う曲げ部５０を接続する辺部５１とを含む。

フェライト板２４は、複数の角部ピース５２を含む。受電コイル８およびフェライト板２４を厚さ方向ＴＤに離れた位置から見ると、角部ピース５２は受電コイル８の曲げ部５０と重なり合う位置に配置されている。

角部ピース５２の一端は、開口部４９内に位置しており、角部ピース５２の他端は受電コイル８よりも外側に位置している。

そして、角部ピース５２は、空隙５３を挟んで隣り合う分割フェライト板５４および分割フェライト板５５を含む。空隙５３は、曲げ部５０の内周縁部から曲げ部５０の外周縁部に向かう方向に延びる。なお、各空隙５３は、巻回軸線Ｏ１を中心として放射状に延びている。

分割フェライト板５４および分割フェライト板５５は、互いに同一または実質的に同一の形状である。

分割フェライト板５５の外周縁部は、内端辺６０と、斜辺６１と、外周辺６２と、切欠辺６３と、短辺６４とを含む。内端辺６０は、受電コイル８の開口部４９内に位置している。斜辺６１は、内端辺６０の一端からフェライト板２４の角部に向けて延びる。

外周辺６２は、斜辺６１の一端に接続され、受電コイル８の辺部５１に沿って延びる。切欠辺６３は、外周辺６２の一端に接続されており、外周辺６２から離れるにつれて巻回軸線Ｏ１に近づくように傾斜するように形成されている。

短辺６４は、切欠辺６３および内端辺６０に接続されている。なお、短辺６４は、辺部５１に対して直交するように延びている。

空隙５３は、分割フェライト板５５の斜辺６１と、分割フェライト板５４の斜辺６１とによって形成されている。

フェライト板２４には、辺部５１と重なり合う部分に切欠部５６が形成されている。具体的には、隣り合う角部ピース５２の切欠辺６３によって形成されている。

切欠部５６は、受電コイル８の外側から開口部４９に向かうように形成されている。切欠部５６は、開口部４９に近づくにつれて幅Ｗ１が小さくなるように形成されている。

ここで、ケース本体２１には複数の台座３４が設けられており、ケース本体２１は、天板部３０の角部に設けられた台座３４Ａと、天板部３０の外周辺の中央部に配置された台座３４Ｂとを含む。

台座３４Ａは空隙５３の延長上に配置されており、台座３４Ｂは、切欠部５６の延長上に配置されている。

「空隙５３の延長上」とは、分割フェライト板５５，５４の各斜辺６１の延長線を延長線Ｌ１，Ｌ２とすると、延長線Ｌ１および延長線Ｌ２によって挟まれた領域である。なお、空隙５３の延長上には、空隙５３は含まれない。

切欠部５６を形成する２つの切欠辺６３Ａ，６３Ｂの各延長線を延長線Ｌ３，Ｌ４とすると、「切欠部５６の延長上」とは、延長線Ｌ３および延長線Ｌ４によって挟まれる領域である。なお、切欠部５６の延長上には、切欠部５６内の領域は含まれない。

図５は、地面側に配置されたコイルユニット３から車両２に搭載されたコイルユニット４に電力を送電する様子を模式的に示す模式図である。

この図５に示すように、コイルユニット３からコイルユニット４に電力を送電する際には、送電コイル１２に交流電流が流れる。送電コイル１２に交流電流が流れると、送電コイル１２の周囲に電磁界が形成され、磁束ＭＦは各種の磁束経路を流れる。

そして、磁束ＭＦが送電コイル１２および受電コイル８のいずれにも鎖交する磁束経路ＭＰ１を流れると、この磁束ＭＦによって受電コイル８内にも交流電流が流れる。

受電コイル８内にも交流電流が流れると、受電コイル８の周囲にも磁束ＭＦが形成される。この磁束ＭＦも各種の磁束経路を通る。

たとえば、磁束経路ＭＰ２は角部ピース５２内を通り、受電コイル８の周囲を通る経路であって、送電コイル１２を通らない経路である。磁束経路ＭＰ４は、切欠部５６を通り、受電コイル８の周囲を流れる経路であり、送電コイル１２を通らない経路である。図６は、コイルユニット４の一部を示す断面図であり、この図６に示すようように、磁束経路ＭＰ４を通る磁束ＭＦは、切欠部５６を通る際に、空気中を通ることになる。空気の磁気抵抗はフェライトよりも遥かに高い。このため、図５において、磁束経路ＭＰ４の磁気抵抗は、磁束経路ＭＰ２の磁気抵抗よりも高くなる。その結果、磁束経路ＭＰ２を通る磁束量の方が、磁束経路ＭＰ４を通る磁束量よりも多くなる。

ここで、図６において、磁束経路ＭＰ４を通る磁束経路ＭＰが少なくなるため、ボルト４２を通る磁束ＭＦが少なくなり、ボルト４２が発熱することを抑制することができる。

なお、図４において、張出部２７も、台座３４Ｂと同様に、切欠部５６の延長上に位置しているため、張出部２７に装着されるボルト４８にも磁束ＭＦが入射することが抑制されている。このため、ボルト４８が発熱することが抑制されている。

図４において、磁束ＭＦは、巻回軸線Ｏ１から放射状に出射される。そして、分割フェライト板５４，５５は、巻回軸線Ｏ１から曲げ部５０の外周縁部に向けて延びており分割フェライト板５４，５５が延びる方向と、磁束ＭＦが出射する方向とは実質的に一致している。

このため、磁束ＭＦが角部ピース５２内を流れる際に、磁束ＭＦが空隙５３を通ることが抑制されており、空隙５３内を通る磁束量は少ない。この結果、磁束経路ＭＰ２を通る磁束量が多くなったとしても、空隙５３の延長上に位置するボルト４２に磁束ＭＦが入射することを抑制することができる。

ここで、巻回軸線Ｏ１から角部ピース５２の外側の端部との間の距離は、巻回軸線Ｏ１から辺部５１の外周辺までの距離よりも長い。このため、磁束経路ＭＰ２の経路長さが長い。図７は、図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図である。図７および図６からも明らかなように、磁束経路ＭＰ２の経路長は長いため、磁束経路ＭＰ２を流れる磁束量が増えると、磁束ＭＦは、送電コイル１２に向けて膨らみやすくなる。その結果、送電コイル１２と鎖交する磁束ＭＦが増える。

このように、受電コイル８および送電コイル１２のいずれにも鎖交する磁束ＭＦが増えることで、受電コイル８の受電効率の向上が図られている。

さらに、フェライト板２４には、切欠部５６が形成されているため、切欠部５６が形成されていないフェライト板と、フェライト板２４とを比較すると、必要なフェライト量の低減が図られている。これにより、コイルユニット４の製造コストの低減が図られている。

図８は、図５のように電力を受電中におけるコイルユニット４における磁束密度分布を示す平面図である。

なお、この図７において、領域Ｒ１は領域Ｒ２よりも磁束密度が低い領域を示す。そして、領域Ｒ２から順次領域Ｒ３〜領域Ｒ９に向かうにつれて、磁束密度が高くなる領域を示す。そして、領域Ｒ９、Ｒ８にボルトなどの鉄が配置されていると、電力伝送中において比較的温度が高くなり易い。

そして、この図７からも明らかなように、台座３４Ａおよび台座３４Ｂにおいては、磁束密度が低いことが分かる。そのため、台座３４Ａ，３４Ｂに挿入されるボルト４２に磁束が入射することが抑制できることが分かる。

今回開示された実施の形態はすべ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て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すべての変更が含まれることが意図される。

本明細書のコイルユニットは、非接触充電システムのコイルユニットに適用することができる。

１ 非接触充電システム、２ 車両、３，４ コイルユニット、５，１４ 共振器、６ 整流器、７ バッテリ、８ 受電コイル、９，１３ コンデンサ、１０ 電源、１１ 変換器、１２ 送電コイル、１５ フロアパネル、２０ 収容ケース、２１ ケース本体、２２ 樹脂蓋、２３ ボビン、２４ フェライト板、２５ 支持板、２６ 基板、２７，４６ 張出部、２８，３５，３７ ネジ穴、３０ 天板部、３１ 環状壁部、３２ 支持壁、３３，４５ 下面、３４，３４Ａ，３４Ｂ，３６ 台座、３８ ボス、３９，４７ 穴部、４２，４８ ボルト、４３ コイル溝、４４ 上面、４９ 開口部、５０ 部、５１ 辺部、５２ 角部ピース、５３ 空隙、５４，５５ 分割フェライト板、５６ 切欠部、６０ 内端辺、６１ 斜辺、６２ 外周辺、６３，６３Ａ，６３Ｂ 切欠辺、６４ 短辺、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 延長線、ＭＦ 磁束、ＭＰ，ＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ４ 磁束経路、Ｏ１ 巻回軸線、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ９ 領域、ＴＤ 厚さ方向。

Claims (1)

1. 厚さ方向に配列する第１主表面および第２主表面を含み板状に形成されたフェライト板と、
   前記第１主表面に配置されると共に、前記厚さ方向に延びる巻回軸線の周囲を取り囲むように配置されたコイルと、
   前記フェライト板および前記コイルを収容する収容ケースと、
   前記収容ケースを外部の固定部材に固定する複数の固定部と、
   を備え、
   前記コイルは、複数の曲げ部と、隣り合う前記曲げ部を接続する辺部とを含み、
   前記厚さ方向に離れた位置から前記フェライト板を見ると、前記フェライト板は前記曲げ部と重なり合う位置に設けられた角部ピースを含み、前記フェライト板には前記辺部と重なり合う位置に切欠部が形成され、
   前記角部ピースは、前記曲げ部の内周縁から外周縁に向けて延びる空隙部を間に挟んで配置された第１分割フェライト板および第２分割フェライト板を含み、
   前記複数の固定部の少なくとも一部の固定部は、前記空隙部または前記切欠部の少なくとも一方の延長上に設けられた、コイルユニット。

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