JP6546371B2 - コイルユニット及び非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、コイルユニット及び非接触給電装置に係り、特に、非接触給電を行うコイルユニット及び当該コイルユニットを備える非接触給電装置に関するものである。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されたバッテリに給電する給電システムとして、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス給電が注目されている（特許文献１〜３）。このワイヤレス給電技術の一つとして共鳴式のものが知られている。この共鳴式の非接触給電装置では、互いに電磁共鳴する一対の共鳴コイルの一方を給電設備の地面に設置し、他方を車両に搭載して、給電設備の地面に設置された共鳴コイルから車両に搭載された共鳴コイルに非接触で電力を供給している。以下、給電設備に設置された共鳴コイルの一方を給電側共鳴コイル、車両に搭載された共鳴コイルの他方を受電側共鳴コイルと言う。

上述した非接触給電装置では、受電側共鳴コイルが車両に搭載されている。このため、車両を正確に所定の給電位置に停車させないと、給電側、受電側共鳴コイルの位置ずれが生じ、漏れ磁界の発生や、電力効率の低下が生じる、という問題があった。

この問題を解決するために、特許文献１では、受電側共鳴コイル、給電側共鳴コイルが漏洩磁束を遮蔽する遮蔽板を介して車や地面に取り付けることが記載されている。この遮蔽板により漏洩磁束が遮蔽され、電力効率の低下も軽減できる。しかしながら、従来技術では、位置ずれに対する漏れ磁束の増大、電力効率の低下を十分に低減できている、とは言えなかった。

特開２０１１−４９２３０号公報 特開２０１２−２３１６０３号公報 特開２０１２−１５１３１１号公報

そこで、本発明は、位置ずれに対する漏れ磁束の増大、電力効率の低下を低減できるコイルユニット及び非接触給電装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、他のコイルと非接触給電を行うコイルと、該コイルが巻回されるコアと、を備え、前記コイルの中心軸が、前記給電時における前記他のコイル及び前記コイルの離隔方向と垂直になるように配置されたコイルユニットにおいて、前記コアには、前記コイルの中心軸方向両側から前記他のコイルに向かって突出する一対の凸部が設けられ、前記コアは、前記コイルが巻回されている中央部と、前記一対の凸部がそれぞれ設けられた両端部と、に分割されて設けられ、前記中央部及び前記両端部が、前記コイルの中心軸に沿って並んで配置され、前記他のコイルの傾きに応じて、前記一対の凸部の一方の突出量が、他方の突出量よりも大きくなるように調整可能である（ただし、前記コアの中央部と、前記コアの両端部と、が異なる材料のものを除く。）ことを特徴とするコイルユニットに存する。

請求項２記載の発明は、非接触給電を行う一対のコイルユニットを備えた非接触給電装置であって、前記一対のコイルユニットの少なくとも一方が、請求項１に記載のコイルユニットから構成されていることを特徴とする非接触給電装置に存する。

以上説明したように請求項１及び２記載の発明によれば、コアには、コイルの中心軸方向両側から他のコイルに向かって突出する一対の凸部が設けられているので、位置ずれに対する漏れ磁束の増大、電力効率の低下を低減できる。

請求項１記載の発明によれば、コアが、コイルが巻回されている中央部と一対の凸部がそれぞれ設けられた両端部とに分割されて設けられているので、簡単にコアを作製することができる。また、他のコイル又はコイルが傾いて取り付けられていても、その傾きに応じて両端部を動かして凸部の突出量を調整することにより、傾いていない状態に近い磁界分布に調整することができる。

本発明の非接触給電装置の一実施形態を示す概略斜視図である。 図２に示す非接触給電装置の部分側面図である。 図１に示す非接触給電装置を構成するコアの斜視図である。 従来品の一例を示す概略斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は各々、図１に示す本発明品及び図４に示す従来品に発生する磁力線をシミュレーションした結果を示す図である。 図１に示す本発明品及び図４に示す従来品について、受電側コイルユニットの位置ずれ距離に対する給電効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。 受電側コイルユニットの傾きに対する給電側コアの凸部の突出量を説明するための図である。

以下、本発明の給電システムを図１〜図３を参照して説明する。図１などに示すように、非接触給電装置１は、給電設備に設けられる給電部２と、車両に搭載された受電部３と、を備えている。

上記給電部２は、図１に示すように、電源として高周波電源２１と、高周波電源２１からの高周波電力が供給される給電側コイルユニット２２（＝コイルユニット）と、を備えている。

上記高周波電源２１は、高周波電力を生成して、給電側コイルユニット２２の後述する給電側共鳴コイル２３に供給している。この高周波電源２１により生成される高周波電力は、後述する給電側共鳴コイル２３及び受電側共鳴コイル３４の共鳴周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）と等しくなるように設けられている。

給電側コイルユニット２２は、給電側共鳴コイル２３（＝コイル）と、この給電側共鳴コイル２３が巻かれた給電側コア２４（＝コア）と、給電側共鳴コイル２３の両端に接続された図示しない給電側キャパシタと、給電側共鳴コイル２３及び給電側コア２４を収容する給電側シールドケース２５と、を備えている。

上記給電側共鳴コイル２３は、導線を給電側コア２４周りにソレノイド状に巻いて構成されている。即ち、この給電側共鳴コイル２３は、その中心軸が給電時における給電側、受電側共鳴コイル２３、３４の離隔方向（垂直方向）に対して垂直に、即ち平行方向に沿うように設けられている。そして、給電側共鳴コイル２３の両端には、共鳴周波数調整用の図示しない給電側キャパシタが接続される。

上記給電側コア２４は、フェライトなどの磁性体から構成されていて、略平板状に設けられている。この給電側コア２４は、水平に配置されている。この給電側コア２４には、図１及び図２に示すように、給電側共鳴コイル２３の中心軸方向の両端部２４Ａから後述する受電側コイルユニット３１に向かって突出する一対の凸部２４Ｂが設けられている。

また、給電側コア２４は、図３に示すように、給電側共鳴コイル２３が巻かれている中央部２４Ｃと、一対の凸部２４Ｂがそれぞれ設けられた一対の両端部２４Ａと、の３つに分割されて設けられている。これにより、中央部２４Ｃが、厚みの均一な平板で構成される。また、一対の両端部２４Ａも、中央部２４Ｃより厚みが大きく、かつ、厚みの均一な平板で構成される。

図示しない給電側キャパシタは、給電側共鳴コイル２３に並列又は直列に接続された共振周波数調整用のキャパシタであり、給電側共鳴コイル２３と共に共振回路として働く。

給電側シールドケース２５は、銅やアルミといった導電性の高い金属シールドから構成されている。給電側シールドケース２５は、給電側共鳴コイル２３が巻回された給電側コア２４の後述する受電側コイルユニット３１から離れた側を覆う底壁２５Ａと、底壁２５Ａの周縁から立設する立壁２５Ｂと、から構成され、受電側コイルユニット３１側が開口された箱型に設けられている。底壁２５Ａは、給電側コア２４よりも若干大きめの四角形状に設けられている。立壁２５Ｂは、給電側コア２４の側面を囲むように設けられている。

上記受電部３は、図１に示すように、受電側コイルユニット３１（＝コイルユニット）と、受電側コイルユニット３１が受電した高周波電力を直流電力に変換する整流器３２と、整流器３２により変換された直流電力が供給される車載バッテリ３３と、を備えている。

受電側コイルユニット３１は、給電側共鳴コイル２３と電磁共鳴する受電側共鳴コイル３４（＝コイル）と、この受電側共鳴コイル３４が巻かれた受電側コア３５（＝コア）と、受電側共鳴コイル３４の両端に接続された図示しない受電側キャパシタと、受電側共鳴コイル３４及び受電側コア３５を収容する受電側シールドケース３６と、を備えている。

上記受電側共鳴コイル３４は、上述した給電側共鳴コイル２３よりも径が小さく設けられ、その中心軸が給電側、受電側共鳴コイル２３、３４の離隔方向（垂直方向）に対して垂直、即ち平行方向に沿うように設けられている。上記受電側共鳴コイル３４の両端には、共鳴周波数調整用の図示しない受電側キャパシタが接続されている。

上記受電側コア３５は、フェライトなどの磁性体から構成されていて、略平板状に設けられ、給電側コア２４より幅が狭く設けられている。この受電側コア３５は、水平に配置されている。この受電側コア３５には、図２に示すように、受電側共鳴コイル３４の中心軸方向の両端部３５Ａから給電側コイルユニット２２に向かって突出する一対の凸部３５Ｂが設けられている。

また、受電側コア３５も、給電側コア２４と同様に、受電側共鳴コイル３４が巻かれている中央部３５Ｃと、一対の凸部３５Ｂがそれぞれ設けられた両端部３５Ａと、の３つに分割しても良いが、本実施形態では分割されていない例について説明する。

受電側シールドケース３６は、銅やアルミといった導電性の高い金属シールドから構成されている。受電側シールドケース３６は、受電側共鳴コイル３４の後述する給電側共鳴コイル２３から離れた側を覆う底壁３６Ａと、底壁３６Ａの周縁から立設する立壁３６Ｂと、から構成され、給電側コイルユニット２２側が開口された箱型に設けられている。底壁３６Ａは、受電側コア３５よりも若干大きめの四角形状に設けられている。立壁３６Ｂは、受電側コア３５の側面を囲むように設けられている。

上述した非接触給電装置１によれば、車両の受電側コイルユニット３１が給電設備の地面に設けた給電側コイルユニット２２に近づいて給電側共鳴コイル２３と受電側共鳴コイル３４とが電磁共鳴すると、給電部２から受電部３に非接触で電力が供給され、車載バッテリ３３が充電される。

上述した実施形態によれば、給電側コア２４には、給電側共鳴コイル２３の中心軸方向両側から受電側共鳴コイル３４に向かって突出する一対の凸部２４Ｂが設けられているので、位置ずれに対する漏れ磁束の増大、電力効率の低下を低減できる。

次に、本発明者らは、上記効果を確認すべく、図１に示す本発明品及び図４に示す従来品に発生する磁力線をシミュレーションした。結果を図５に示す。図４に示す従来品は、給電側共鳴コイル２３、受電側共鳴コイル３４が巻回される給電側コア２０４及び受電側コア３０５は、凸部が設けられていないフラットな平板形状に設けられている。その他の部分は、図１に示す本発明品と同一なので、同一符号を付してその説明を省略する。

図５（Ａ）及び（Ｂ）の点線で囲んだ部分を比較しても明らかなように、本発明品の方が、凸部２４Ｂにより磁界が集められるため、受電側コイルユニット３１に向かう磁力線の密度を大きくすることができる。このため、漏れ磁束の低減、電力効率の向上を図ることができることが分かった。なお、凸部２４Ｂ、３５Ｂの幅を広くするほど、漏れ磁束の低減、電力効率の向上を図れることができる。

また、本発明者らは、上記効果を確認すべく、図１に示す本発明品及び図４に示す従来品について、受電側コイルユニット３１の位置ずれ距離に応じた給電効率をシミュレーションした。結果を図６に示す。なお、給電側、受電側共鳴コイル２３、３４の中心が垂直方向に対向した状態を位置ずれ距離０とし、受電側共鳴コイル３４を受電側コア３５、３０５の幅方向に動かしたときの幅方向のずれ量を位置ずれ距離としている。

同図に示すように、位置ずれ距離が０のときでも、本発明品の方が従来品よりも約１％、給電効率が向上することが分かった。また、位置ずれ距離が４００ｍｍのときは、本発明品の方が従来品よりも約３％、給電効率が向上することが分かった。

また、上述した非接触給電装置１によれば、給電側コア２４が、給電側共鳴コイル２３が巻回されている中央部２４Ｃと一対の凸部２４Ｂがそれぞれ設けられた両端部２４Ａとに分割されて設けられているので、簡単に給電側コア２４を作製することができる。また、図７に示すように、受電側共鳴コイル３４が傾いて取り付けられていても、その傾きに応じて両端部２４Ａを動かして凸部２４Ｂの突出量を調整することにより、傾いていない状態に近い磁界分布に調整することができる。

詳しく説明すると、図７に示すように、受電側共鳴コイル３４の図面左側が給電側コイルユニット２２に近づくように傾いて車両に取り付けられた場合について考えてみる。この場合、受電側共鳴コイル３４の図面左側の方が図面右側よりも給電側共鳴コイル２３との磁界結合が強くなる。そこで、給電側コア２４において、図面右側の凸部２４Ｂの突出量を図面左側の凸部２４Ｂの突出量よりも高くなるようにすれば、受電側共鳴コイル３４の左右側の給電側共鳴コイル２３との磁界結合が同じ程度になり、傾いていない状態に近い磁界分布に調整できる。

なお、上述した実施形態によれば、給電側、受電側コア２４、３５の双方に凸部２４Ｂ、３５Ｂを設けていたが、本発明はこれに限ったものではなく、給電側、受電側コア２４、３５の何れか一方のみに凸部を設けるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、給電側コア２４を分割していたが、本発明はこれに限ったものではない。給電側コア２４としては、分割していなくてもよい。

また、上述した実施形態では、給電側コア２４を中央部２４Ｃ、一対の両端部２４Ａに分割し、受電側共鳴コイル３４の傾きに応じて凸部２４Ｂの突出量を調整していたが、本発明はこれに限ったものではない。車両の構造上どうしても受電側共鳴コイル３４を傾けて取り付けなくてはならない場合など、予め傾ける角度が分かるときは、受電側コア３５を両端部３５Ａ、中央部３５Ｃの３つに分割して、傾きに応じて凸部３５Ｂの突出量を調整するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、高周波電源２１から給電側共鳴コイル２３に直接電源を供給していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば高周波電源２１からループアンテナに電源を供給し、ループアンテナから電磁誘導により給電側共鳴コイル２３に電源を供給するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、受電側共鳴コイル３４から車載バッテリ３３に直接電力を供給していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、受電側共鳴コイル３４から電磁誘導により電力供給を受けるループアンテナを介して車載バッテリ３３に電源を供給するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、受電側コア３５の幅を給電側コア２４よりも狭く設けることにより、受電側共鳴コイル３４の径を給電側共鳴コイル２３の径よりも小さく設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。給電側共鳴コイル２３と受電側共鳴コイル３４との径を同じに設けてもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 非接触給電装置
２２ 給電側コイルユニット（コイルユニット）
２３ 給電側共鳴コイル（コイル）
２４ 給電側コア（コア）
２４Ａ 両端部
２４Ｂ 凸部
２４Ｃ 中央部
３１ 受電側コイルユニット（コイルユニット）
３４ 受電側共鳴コイル（コイル）
３５ 受電側コア（コア）
３５Ａ 両端部
３５Ｂ 凸部
３５Ｃ 中央部

Claims (2)

1. 他のコイルと非接触給電を行うコイルと、該コイルが巻回されるコアと、を備え、前記コイルの中心軸が、前記給電時における前記他のコイル及び前記コイルの離隔方向と垂直になるように配置されたコイルユニットにおいて、
   前記コアには、前記コイルの中心軸方向両側から前記他のコイルに向かって突出する一対の凸部が設けられ、
   前記コアは、前記コイルが巻回されている中央部と、前記一対の凸部がそれぞれ設けられた両端部と、に分割されて設けられ、
   前記中央部及び前記両端部が、前記コイルの中心軸に沿って並んで配置され、
   前記他のコイルの傾きに応じて、前記一対の凸部の一方の突出量が、他方の突出量よりも大きくなるように調整可能である（ただし、前記コアの中央部と、前記コアの両端部と、が異なる材料のものを除く。）
   ことを特徴とするコイルユニット。
2. 非接触給電を行う一対のコイルユニットを備えた非接触給電装置であって、
   前記一対のコイルユニットの少なくとも一方が、請求項１に記載のコイルユニットから構成されている
   ことを特徴とする非接触給電装置。

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