JP6621480B2 - 非接触給電用コイルおよび非接触給電システム - Google Patents

非接触給電用コイルおよび非接触給電システム Download PDF

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Description

本発明は、巻線とコアとを備える非接触給電用コイル、および、この非接触給電用コイルを用いて構成する非接触給電システムに関する。
多数の部品が実装された基板を生産する基板生産機として、はんだ印刷機、電子部品装着機、リフロー機、基板検査機などがある。これらの設備を連結して基板生産ラインを構成することが一般的になっている。さらに、モジュール化された同じ大きさの基板生産機を列設して基板生産ラインを構成する場合も多い。モジュール化された基板生産機を用いることにより、ラインの組み替え時やラインを長大化する増設時の段取り替え作業が容易になり、フレキシブルな基板生産ラインが実現される。
近年、基板生産ラインの各基板生産機で使用する機材や部材を、基板生産ラインに沿って移動する移動体に搬送させ、省力化および自動化を推進することが検討されている。さらに、移動体への給電手段として、非接触給電システムが考えられている。なお、非接触給電システムの用途は、基板生産ラインに限定されず、他の製品を生産する組立ラインや加工ライン、電動車両の走行中給電など幅広い分野にわたっている。この種の非接触給電システムでは、給電素子および受電素子にそれぞれコイルを用いる電磁結合方式が多用される。電磁結合方式の非接触給電システムに関する技術例が、特許文献１に開示されている。なお、本明細書の中で、電磁結合方式は、電磁誘導方式および電磁界共鳴方式を含むものである。
特許文献１の非接触電力伝送装置は、送電部（給電ユニット）および受電部（受電ユニット）にそれぞれコイルを備え、各コイルを通じで交流電力の送電および受電を行い、受電した交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する。特許文献１に限らず電磁結合方式の非接触給電システムでは、一般的に、商用周波数よりも格段に高い周波数を用いることによって、空間を介した給電を可能としている。しかしながら、周波数が高いことで巻線の交流損失や漏洩磁束による損失が増加し、給電効率が低下しがちであった。
交流損失は、巻線内の渦電流によって発生するものであり、周波数が高いほど増加する。交流損失として、１本の導体内で発生する表皮効果に起因するもの、および複数の導体の相互間に発生する近接効果に起因するものが有る。また、漏洩磁束が到達する周辺の金属物では電流が流れて発熱するため、損失の増加を招く。損失の増加を抑制する非接触給電用コイルの各種技術例が特許文献２〜４に開示されている。
特許文献２は、非接触電力伝送機器の送電用コイル（給電コイル）または受電用コイル（受電コイル）に用いられる渦巻状の電線部から成る平面コイルを開示している。この平面コイルは、電線部間に渦電流抑制用の隙間を設けたことを特徴とする。これによれば、隣接する電線部同士が互いに影響を及ぼし合って渦電流を発生することが抑制され（近接効果の抑制）、平面コイルの発熱が低減される、とされている。
特許文献３は、電源と、給電側共鳴コイルと、該コイルを収容する導電性の遮蔽ケースと、を備えた給電部を開示している。この給電部は、遮蔽ケースの外部に配置された磁性体をさらに備える。これによれば、給電側共鳴コイルにより発せられた磁界のうち遮蔽ケースから漏れた漏洩磁界が磁性体（フェライト）により吸収されるため、十分に電磁漏洩を防止できる、とされている。
特許文献４は、Ｈ字状のコアを有して電線が巻回されたコイル本体と、該コイル本体を収容する樹脂製のケース本体と、ケース本体が固定された磁気遮蔽用の非磁性導電体板と、を備える非接触給電用コイル装置を開示している。この非接触給電用コイル装置は、非磁性導電体板の裏面に、共振コンデンサおよび整流回路を収容した筺体を配置している。さらに、実施形態には、損失を低減する一方策として、リッツ線が開示されている。これによれば、短い配線でコンパクトに装置を構成でき、磁気遮蔽効果を損なわずに、給電効率の低下が抑えられる、とされている。
特開２０１１−２０５７８３号公報 特開２００９−１５８５９８号公報 特開２０１４−１７６１３３号公報 特開２０１２−２０４４６９号公報
ところで、特許文献２の実施形態に説明された平面コイルの製造方法では、電線部間の隙間を確保するために、専用の布線装置を用いて電線部をシート上に布線してゆく。他に、電線部間にスペーサを挿入しながらコイルを形成する巻回作業を行ってゆく方法も考えられる。しかしながら、これらの工夫をしても、平面コイルの製造は容易でなく、寸法精度の低下による交流損失の増加や、製造に要する作業工数の増加などの点に難が有ると考えられる。
また、特許文献３の技術例では、磁性体の外側への電磁漏洩は防止できても、磁性体の内側の遮蔽ケースに漏洩磁束が入り込む。したがって、遮蔽ケースに渦電流損が発生して損失が増加する。また、特許文献４に開示されたリッツ線は、単一の導体からなる線材と比較して高価であるが、表皮効果に起因する交流損失を顕著に低減できる。しかしながら、巻回作業の際にリッツ線の断面形状が型崩れして、交流損失低減の効果が損なわれてしまうおそれがある。
上記したように給電コイルや受電コイルの損失が増加すると、当然ながら非接触給電システムの給電効率は低下する。
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、交流損失の発生を抑制した非接触給電用コイルを提供すること、および、この非接触給電用コイルを用いることで良好な給電効率が得られる非接触給電システムを提供することを解決すべき課題とする。
上記課題を解決する本発明の非接触給電用コイルは、特定周波数の交流電流が流れる巻線と、前記巻線に鎖交する周回磁路の一部を形成するコアと、巻き型の機能を有するボビンとを備え、非接触給電システムを構成する非接触給電用コイルであって、前記巻線は、導体の周りに絶縁被覆を有する線材が径方向に順番に巻回されてそれぞれ形成される複数の環形板状巻線ブロックからなり、前記コアは、前記巻線の中央の中空部に嵌入する中脚部と、前記巻線の外周部の少なくとも一部を覆う２つの側脚部と、前記巻線の端面部を覆う底面部とを有して、断面がＥ字形状のＥ形コアであり、前記ボビンは、前記巻線と前記底面部との間を仕切る底面主仕切り部、前記巻線と前記中脚部との間を仕切る中脚主仕切り部、前記中脚部および前記側脚部の先端面に合わせて配置されるブロック端仕切り部、および、複数の環形板状巻線ブロックの相互間を仕切るブロック間仕切り部をもつ。
また、本発明の非接触給電システムは、給電ユニットに設けられた給電コイルと、前記給電コイルに前記特定周波数の交流電力を供給する交流電源と、受電ユニットに設けられ、前記給電コイルに対向すると電気的に結合して非接触で交流電力を受け取る受電コイルと、前記受電コイルが受け取った交流電力を変換して駆動電圧を生成し、電気負荷に出力する受電回路と、を備えた非接触給電システムであって、前記給電コイルは、特定周波数の交流電流が流れる巻線と、前記巻線に鎖交する周回磁路の一部を形成するコアとを有し、前記巻線は、導体の周りに絶縁被覆を有する線材が巻回されたものであり、前記絶縁被覆の被覆厚さは、隣接する前記線材の相互間に前記特定周波数で生じる近接効果の影響が所定量以下となるように定められ、前記受電コイルは、上記した本発明の非接触給電用コイルである。
本発明の非接触給電用コイルにおいて、近接効果に起因する交流損失の発生が抑制される。
本発明の非接触給電システムにおいて、良好な給電効率が得られる。
実施形態の非接触給電システムの全体構成を模式的に説明する図である。 実施形態の給電コイルの正面図である。 図２に一点鎖線で示されたＡ−Ａ断面を矢視方向から見た給電コイルの断面図である。 給電コイルを対象としたシミュレーションにより、導体の直径と、巻線の抵抗値との関係を求めた結果を示す図である。 給電コイルを対象としたシミュレーションにより、絶縁被覆の被覆厚さと、巻線の抵抗値との関係を求めた結果を示す図である。 実施形態の受電コイルの正面図である。 図６に一点鎖線で示されたＢ−Ｂ断面を矢視方向から見た受電コイルの断面図である。 受電コイルに用いられるリッツ線および巻線収容スペースを模式的に示した部分断面図である。 リッツ線が型崩れする場合を例示説明した部分断面図である。 別の実施形態の受電コイルの断面図である。
（１．実施形態の非接触給電システム１の全体構成）
まず、本発明の実施形態の非接触給電システム１について、図１を参考にして説明する。図１は、実施形態の非接触給電システム１の全体構成を模式的に説明する図である。実施形態の非接触給電システム１は、基板生産ライン９に適用される。図示されるように、基板生産ライン９は、３台の第１〜第３基板生産機９１〜９３が列設されて構成されている。図１の左右方向は、第１〜第３基板生産機９１〜９３の列設方向であり、後述する移動体９９の移動方向でもある。
各基板生産機９１〜９３は、モジュール化されており、列設方向の幅寸法ＭＬが互いに等しい。第１〜第３基板生産機９１〜９３は列設位置の順序変更、およびモジュール化された他の基板生産機との入れ替えが可能とされている。基板生産ライン９を構成する基板生産機の列設台数は４台以上でもよく、後から列設台数を増やすモジュール増設対応も可能になっている。換言すると、基板生産機の順序変更時や増設時に、非接触で給電を行うためにケーブル等の配線を行うことなく、移動体９９は、列設された基板生産機に沿って移動可能になる。第１〜第３基板生産機９１〜９３として、電子部品装着機を例示でき、これに限定されない。
第１〜第３基板生産機９１〜９３の前方には、列設方向に延在する図略のガイドレールが配設されている。移動体９９は、ガイドレールに沿って移動方向（第１〜第３基板生産機９１〜９３の列設方向）に移動する。移動体９９は、各基板生産機９１〜９３で使用する機材や部材を図略の保管庫から搬入し、使用後の機材や部材を保管庫に戻す役割を担っている。
実施形態の非接触給電システム１は、移動体９９を給電対象として、第１〜第３基板生産機９１〜９３から電磁結合方式で非接触給電を行うシステムである。非接触給電システム１は、各基板生産機９１〜９３の前側にそれぞれ設けられた給電ユニット１Ｓ、および、移動体９９に設けられた２組の受電ユニット１Ｒから構成されている。
給電ユニット１Ｓは、交流電源回路２および給電コイル３などで構成される。交流電源回路２は、給電コイル３に特定周波数の交流電力を供給する。交流電源回路２は、例えば、直流電圧を供給する直流電源部と、直流電圧を交流変換する公知のブリッジ回路とを用いて構成できる。交流電源回路２の第１出力端子２１は、給電コイル３の一端に直結されており、第２出力端子２２は、給電側コンデンサ６１の一端に接続されている。交流電源回路２の特定周波数は、後述する給電側共振回路および受電側共振回路の共振周波数に基づいて設定される。特定周波数として、数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚのオーダーを例示でき、これに限定されない。交流電源回路２は、電圧値などを調整する機能を具備していてもよい。
３台の基板生産機９１〜９３に設けられた合計３個の交流電源回路２は、相互に独立して動作可能となっている。各基板生産機９１〜９３は、移動体９９の接近を検出する図略のセンサを有している。そして、各基板生産機９１〜９３の交流電源回路２は、移動体９９が接近したときだけ動作する。これにより、移動体９９が遠方に離隔している間、交流電源回路２は停止され、無駄な電気損失が発生しない。
給電コイル３は、各基板生産機９１〜９３の前面に設けられており、搬送方向の前後で対称形状に形成されている。給電側コンデンサ６１は、給電コイル３に直列接続されて給電側共振回路を形成する共振用素子である。給電側コンデンサ６１の他端は、給電コイル３の他端に接続されている。これにより、環状の給電回路が構成される。したがって、給電コイル３には、特定周波数の交流電流が流れる。
一方、受電ユニット１Ｒは、受電コイル４および受電回路５などで構成される。２個の受電コイル４は、移動体９９の給電コイル３に対向する側面９８に配設されており、移動方向に沿い相互に離間して配置される。給電コイル３および受電コイル４は、対向中間面Ｓｎを挟んで配置されると、後述するコア３１、４１同士が共同で周回磁路を形成して電磁結合する。これにより、給電コイル３と受電コイル４との間に相互インダクタンスが発生して非接触給電が可能になる。したがって、受電コイル４にも、特定周波数の交流電流が流れる。給電コイル３と受電コイル４との実際の離間距離は、図示された離間距離よりも小さい。
受電コイル４の一端は、受電側コンデンサ６５の一端、および受電回路５を構成する整流回路５１の入力側の一端子に接続されている。受電コイル４の他端は、受電側コンデンサ６５の他端、および整流回路５１の入力側の他端子に接続されている。受電側コンデンサ６５は、受電コイル４に並列接続されて受電側共振回路を形成する共振用素子である。
受電回路５は、受電コイル４が受け取った交流電力を変換して駆動電圧を生成する。受電回路５は、受電コイル４ごとに設けられた整流回路５１、および２個の整流回路５１に対して共通に設けられた直流電源回路５５を含んで構成される。整流回路５１は、例えば、４個の整流ダイオードをブリッジ接続した全波整流回路、および全波整流回路の出力側に接続された平滑コンデンサによって構成される。２個の整流回路５１は、受電コイル４が受け取った交流電力を直流電圧に変換して出力する。２個の整流回路５１の出力側は、直流電源回路５５に並列接続されている。
直流電源回路５５は、直流電圧を駆動電圧に変換して、移動体９９に搭載された電気負荷ＥＬに出力する。直流電源回路５５は、駆動電圧の安定化作用を有する。つまり、直流電源回路５５は、整流回路５１から出力された電圧値不定の直流電圧を概ね一定の駆動電圧に調整して、電気負荷ＥＬに給電する。直流電源回路５５として、スイッチング方式またはドロッパ方式のＤＣＤＣコンバータを例示できる。直流電源回路５５は、降圧機能を具備しており、さらに昇圧機能を具備していてもよい。
電気負荷ＥＬは、移動体９９上で仕事を行うものであり、その種類や消費電力などは限定されない。電気負荷ＥＬは、移動体９９の移動用駆動源、例えばステッピングモータやサーボモータなどを含んでいてもよい。
ここで、給電コイル３および受電コイル４の移動方向の長さ、および移動方向に隣り合う相互離間距離は、非接触給電が安定して行われるように設定されている。つまり、移動体９９の位置に関係なく常に、給電コイル３と少なくとも１個の受電コイル４とが正対状態になる。正対状態とは、給電コイル３の移動方向の長さの範囲内に、受電コイル４の移動方向の長さの全体が対向する状態を意味する。
図１に例示される位置関係において、第１基板生産機９１の給電コイル３と図中の左側の受電コイル４とが正対し、第２基板生産機９２の給電コイル３と図中の右側の受電コイル４とが正対している。このとき、２個の受電コイル４は、ともに良好な受電状態となり、矢印Ｐ１、Ｐ２に示されるように大きな交流電力を受け取ることができる。正対状態にある受電コイル４は、単独でも電気負荷ＥＬを駆動できるだけの受電容量を有する。したがって、非接触給電システム１は、バッテリおよび充電回路を必要としない。
（２．実施形態の給電コイル３の詳細な構成）
次に、実施形態の給電コイル３の詳細な構成について説明する。図２は、実施形態の給電コイル３の正面図である。図２の左右方向は、移動体９９の移動方向に対応する。図３は、図２に一点鎖線で示されたＡ−Ａ断面を矢視方向から見た給電コイル３の断面図である。給電コイル３は、コア３１および巻線３５を備える。
図３に示されるように、コア３１は、断面がＥ字形状のＥ形コアであり、底面部３２、中脚部３３、および２つの側脚部３４からなる。底面部３２は、長方形板状に形成されている。巻線３５が配設されない２つの側脚部３４は、底面部３２の２つの長辺から起立しており、相互に平行している。巻線３５が配設される中脚部３３は、底面部３２の中央から起立している。中脚部３３は、２つの側脚部３４に平行しており、かつ、移動方向の長さが側脚部３４よりも短い。中脚部３３および側脚部３４の起立した高さ寸法は、相互に等しい。コア３１は、例えば、磁性粉体を焼結し、または電磁鋼板を積層して、一体品に形成することができる。
巻線３５は、中脚部３３の周りに配置される。巻線３５は、中脚部３３の形状に相当する巻き型に線材３６が巻回されて形成される。線材３６は、導体３７の周りに絶縁被覆３８を有する。導体３７は、直径がＤｃの円形断面の１本の素線からなる単一導体であり、銅線やアルミ線などとされる。これに限定されず、導体３７は、断面が面取りされた矩形などでもよく、また、複数本の素線からなる複合導体でもよく、銅やアルミ以外の材質でもよい。絶縁被覆３８は、樹脂などとされ、その片側の被覆厚さはＴｉである。
巻線３５は、給電コイル３と受電コイル４とが対向したときの対向中間面Ｓｎに対して、線材３６が平行に巻回されたものとなる。本実施形態において、巻線３５は、２層各６ターンの合計１２ターンで構成されている。巻線３５の層数、および１層当たりのターン数は適宜変更できる。図２に示されるように、巻線３５の両端３５１、３５２は、コア３１の底面部３２の短辺方向に引き出されている。
ここで、導体３７の断面積、換言すると円形断面の直径Ｄｃは、巻線抵抗値Ｒに基づいて定められている。巻線抵抗値Ｒは、巻線３５の直流抵抗値Ｒｄｃと、特定周波数で生じる表皮効果に起因する抵抗増加分である巻線３５の交流抵抗値Ｒａｃとを加算して求められる。図４は、給電コイル３を対象としたシミュレーションにより、導体３７の直径Ｄｃと、巻線３５の抵抗値Ｒ、Ｒｄｃ、Ｒａｃとの関係を求めた結果を示す図である。シミュレーションでは、絶縁被覆３８の被覆厚さＴｉを一定に保ちつつ、６種類の直径Ｄｃでそれぞれ抵抗値Ｒ、Ｒｄｃ、Ｒａｃを求めている。図４において、巻線抵抗値Ｒは実線、直流抵抗値Ｒｄｃは一点鎖線、交流抵抗値Ｒａｃは破線でそれぞれ示されている。
図示されるように、直径Ｄｃの増加に伴い、直流抵抗値Ｒｄｃは、直径Ｄｃの二乗に反比例して減少する。一方、直径Ｄｃの増加に伴って表皮効果の影響が顕著となるため、交流抵抗値Ｒａｃは増加傾向を示す。そして、直流抵抗値Ｒｄｃと交流抵抗値Ｒａｃとを加算した巻線抵抗値Ｒは、直径Ｄｃ１で可及的に小さな値Ｒ１となる。つまり、導体３７の直径Ｄｃを直径Ｄｃ１より小さくしても大きくしても、給電コイル３の損失に不利となる。このため、導体３７の直径Ｄｃは、直径Ｄｃ１に基づいて定められる。導体３７の材質や断面形状、断面積（円形断面の場合直径Ｄｃ）を定めるその他の要因として、巻回作業時の作業性や、故障電流が流れたときの機械的強度なども考慮され得る。
なお、直流抵抗値Ｒｄｃの大きさは、特定周波数に依存しないが、交流抵抗値Ｒａｃの大きさは、特定周波数に依存する。このため、特定周波数が変更されると、直径Ｄｃ１は変化し得る。
また、絶縁被覆３８の被覆厚さＴｉは、隣接する線材３６の相互間に特定周波数で生じる近接効果の影響が所定量以下となるように定められている。図５は、給電コイル３を対象としたシミュレーションにより、絶縁被覆３８の被覆厚さＴｉと、巻線３５の抵抗値Ｒ、Ｒｄｃ、Ｒａｃとの関係を求めた結果を示す図である。シミュレーションでは、導体３７の直径Ｄｃを一定に保ちつつ、５種類の被覆厚さＴｉでそれぞれ抵抗値Ｒ、Ｒｄｃ、Ｒａｃを求めている。図５において、直流抵抗値Ｒｄｃは実線、直流抵抗値Ｒｄｃは一点鎖線、交流抵抗値Ｒａｃは破線でそれぞれ示されている。
図示されるように、被覆厚さＴｉの増加に伴い、直流抵抗値Ｒｄｃは、ごく小さな傾きで増加する。一方、被覆厚さＴｉの増加に伴って近接効果の影響が低減されるため、交流抵抗値Ｒａｃは減少傾向を示す。ここで、近接効果の影響が所定量以下となる条件は、交流抵抗値Ｒａｃが所定の抵抗値Ｒ２と以下となる条件に置き換え可能である。これによれば、絶縁被覆３８の被覆厚さＴｉは、交流抵抗値Ｒａｃが抵抗値Ｒ２以下となる被覆厚さＴｉ２以上となる。また、一般的に、被覆厚さＴｉは、導体３７間の絶縁性能を確保できる被覆厚さＴｉ３とする必要が有る。したがって、絶縁被覆３８の被覆厚さＴｉは、被覆厚さＴｉ２および被覆厚さＴｉ３のうち大きい側に定められる。
図４および図５を用いて説明した２種類のシミュレーションを組み合わせて実施することにより、線材３６の導体３７の直径Ｄｃおよび絶縁被覆３８の被覆厚さＴｉを最適化できる。これにより、給電コイル３では、表皮効果および近接効果に起因する交流損失の発生が抑制される。
給電コイル３の製造工程において、コア３１および巻線３５は別々に形成され、後で一体的に結合される。一体的な結合により、コア３１の中脚部３３は、巻線３５の中央の中空部に嵌入する。コア３１の側脚部３４は、巻線３５の外周部のうち移動体９９の移動方向に平行する一部範囲を覆う。コア３１は、巻線３５の外周部のうち移動方向に交差する残部範囲を覆わない。コア３１の底面部３２は、巻線３５の対向中間面Ｓｎから離れた側の端面部を覆う。これにより、給電コイル３から出る磁束が外部へ漏出することを抑制する磁気遮蔽効果が生じる。したがって、給電コイル３では、漏洩磁束による損失が低減される。
また、図１に示されるように、給電コイル３は、複数個が移動体９９の移動方向に並べられて用いられる。このため、給電コイル３の相互間において、漏洩磁束の大部分は隣の給電コイル３に向かい、漏洩磁束のごく少ない一部が外部に漏洩する。つまり、巻線３５の外周部のうち残部範囲では、磁気遮蔽の必要性が小さい。したがって、底面部３２の２つの短辺に側脚部を設けずとも、十分な磁気遮蔽効果が得られる。これにより、コア３１の形状が簡素化され、軽量化およびコスト低減の効果が生じる。なお、仮に底面部３２の２つの短辺に側脚部を設けると、給電コイル３に対して受電コイル４が正対位置関係からずれ始めたときに、良好な周回磁路を形成できなくなる欠点が生じる。
（３．実施形態の受電コイル４の詳細な構成）
次に、実施形態の受電コイル４の詳細な構成について説明する。受電コイル４は、本発明の非接触給電用コイルの一実施形態に相当する。図６は、実施形態の受電コイル４の正面図である。図６の左右方向は、移動体９９の移動方向に対応する。図７は、図６に一点鎖線で示されたＢ−Ｂ断面を矢視方向から見た受電コイル４の断面図である。受電コイル４は、コア４１、巻線４５、およびボビン７を備える。
図７に示されるように、コア４１は、断面がＥ字形状のＥ形コアであり、底面部４２、中脚部４３、および２つの側脚部４４からなる。底面部４２は、長方形板状に形成されている。巻線４５が配設されない２つの側脚部４４は、底面部４２の２つの長辺から起立しており、相互に平行している。巻線４５が配設される中脚部４３は、底面部４２の中央から起立している。中脚部４３は、２つの側脚部４４に対して平行しており、かつ、移動方向の長さが側脚部４４よりも短い。中脚部４３の起立方向は、対向中間面Ｓｎに垂直な軸線ＡＸ方向となる。中脚部４３および側脚部４４の起立した高さ寸法は、相互に等しい。コア４１は、例えば、磁性粉体を焼結し、または電磁鋼板を積層して、一体品に形成することができる。
移動体９９の移動方向に関して、受電コイル４のコア４１の長さ寸法ＬＲは、給電コイル３のコア３１の長さ寸法ＬＳ（図２参照）よりも小さい。一方、受電コイル４のコア４１の幅寸法ＷＲは、給電コイル３のコア３１の幅寸法ＷＳ（図２参照）とほぼ等しい。したがって、給電コイル３と受電コイル４とが正対すると、中脚部３３、４３同士、および２つの側脚部３４、４４同士が対向して、周回磁路が形成される。また、この正対位置関係は、移動体９９がある程度移動するまで維持される。
図７に示されるように、ボビン７は、中脚主仕切り部７１、底面主仕切り部７２、ブロック間仕切り部７３、およびブロック端仕切り部７４からなる。中脚主仕切り部７１は、コア４１の中脚部４３を周回する矩形筒状の部位である。底面主仕切り部７２、ブロック間仕切り部７３、およびブロック端仕切り部７４は、それぞれ環形板状の部位であり、中脚主仕切り部７１の周りに接して、相互に平行配置される。底面主仕切り部７２は、コア４１の底面部４２に接して配置される。ブロック端仕切り部７４は、コア４１の中脚部４３および側脚部４４の先端面に合わせて配置される。ブロック間仕切り部７３は、底面主仕切り部７２とブロック端仕切り部７４との中間に配置される。
底面主仕切り部７２とブロック間仕切り部７３との間、および、ブロック間仕切り部７３とブロック端仕切り部７４との間に、軸線ＡＸ方向の隙間寸法がＧとなる巻線収容スペース７５がそれぞれ区画される。巻線収容スペース７５は、軸線ＡＸ方向に薄い環形の空間となっている。ボビン７は、巻線４５を巻回形成する堅牢な巻き型の機能を有するとともに、コア４１と巻線４５との間の絶縁性能を確保する機能を有する。ボビン７は、例えば、複数の樹脂部材の接合や注型樹脂成型などの方法によって、一体品に形成することができる。
図７に示されるように、巻線４５は、２個の環形板状巻線ブロック４５３、４５４からなる。２個の環形板状巻線ブロック４５３、４５４は、それぞれ巻線収容スペース７５に収容され、軸線ＡＸ方向に離隔して並んでいる。環形板状巻線ブロック４５３、４５４は、軸線ＡＸ周りにリッツ線４９が径方向に６ターンだけ巻回されて形成される。なお、リッツ線４９の巻回ターン数は、６ターンに限定されない。また、リッツ線４９に代えて、単一導体の周りに絶縁被覆を有する線材を用いてもよい。本実施形態において、２個の環形板状巻線ブロック４５３、４５４は、電気的に直列接続されているが、並列接続されていてもよい。
図８は、受電コイル４に用いられるリッツ線４９および巻線収容スペース７５を模式的に示した部分断面図である。リッツ線４９は、７本の線材４６が撚り合わされて構成されており、これ以外の線材構成であってもよい。破線で示されるように、リッツ線４９の断面形状は等価的に円形となり、等価外径寸法はＤＬである。線材４６は、導体４７の周りに絶縁被覆４８を有する。導体４７は、円形断面を有する銅線やアルミ線などとされる。絶縁被覆４８は、例えばホルマール樹脂とされる。リッツ線４９は、太径の単一の線材と比較して表皮効果の影響を顕著に低減でき、受電コイル４の交流損失を低減する効果を有する。
巻線４５は、給電コイル３と受電コイル４とが対向したときの対向中間面Ｓｎに対して、リッツ線４９が平行に巻回されたものとなる。図６に示されるように、巻線４５の両端４５１、４５２は、コア４１の底面部４２の短辺方向に引き出されている。
ここで、２個の巻線収容スペース７５の隙間寸法Ｇは、リッツ線４９の等価外径寸法ＤＬと等しくなるように設定されている。このため、受電コイル４を形成する巻回作業において、リッツ線４９の断面形状は、型崩れしない。したがって、受電コイル４では、太径の単一の線材を用いる場合と比較して、リッツ線４９を用いたときの交流損失の低減効果が顕著となる。
仮に、巻線収容スペース７５の隙間寸法Ｇをリッツ線４９の等価外径寸法ＤＬよりも大きくした場合、図９に示される状態となる。図９は、リッツ線４９Ｘが型崩れする場合を例示説明した部分断面図である。ボビン７Ｘの巻線収容スペース７５Ｘの隙間寸法ＧＸが等価外径寸法ＤＬよりも大きい場合、リッツ線４９Ｘは、巻回作業時に加えられる力によって円形の断面形状が型崩れする。これにより、リッツ線４９Ｘを用いたときの交流損失の低減効果が損なわれてしまうおそれが生じる。
また仮に、巻線収容スペース７５の隙間寸法Ｇをリッツ線４９の等価外径寸法ＤＬよりも小さくしても、リッツ線４９の円形の断面形状が型崩れする。加えて、狭隘な巻線収容スペース７５に無理をしてリッツ線４９を挿入することになるので、絶縁被覆４８を損傷するおそれが生じる。
また、ブロック間仕切り部７３の厚さＴｂは、ブロック間仕切り部７３を挟むリッツ線４９の相互間に特定周波数で生じる近接効果の影響が所定量以下となるように定められている。近接効果の影響は、厚さＴｂを大きくすることによって低減される。しかしながら、厚さＴｂを大きくすることは、受電コイル４の大型化、重量増加、およびコストアップなどの短所に直結する。したがって、これらの短所も総合的に勘案され、ブロック間仕切り部７３の厚さＴｂは、最適値に定められる。これにより、受電コイル４では、近接効果に起因する交流損失の発生が適正に抑制される。
受電コイル４の製造工程において、巻線４５は、巻き型となるボビン７にリッツ線４９が巻回されて形成される。その後、巻線４５およびボビン７は、別途形成されたコア４１に一体的に結合される。一体的な結合により、コア４１の中脚部４３は、巻線４５の中央の中空部、およびボビン７の中脚主仕切り部７１に嵌入する。コア４１の側脚部４４は、巻線４５の外周部のうち移動体９９の移動方向に平行する一部範囲を覆う。コア４１は、巻線４５の外周部のうち移動体９９の移動方向に交差する残部範囲を覆わない。コア４１の底面部４２は、巻線４５の対向中間面Ｓｎから離れた側の端面部を覆う。これにより、給電コイル３から到来した磁束が外部へ漏出することを抑制する磁気遮蔽効果が生じる。したがって、受電コイル４でも、漏洩磁束による損失が低減される。
なお３個以上の環形板状巻線ブロックを用いて巻線４５を構成することも可能である。この場合、環形板状巻線ブロックの個数に対応して、ブロック間仕切り部７３および巻線収容スペース７５の個数を増加させる。
（４．別の実施形態の受電コイル４Ａの詳細な構成）
次に、別の実施形態の受電コイル４Ａの詳細な構成について、説明済みの受電コイル４と異なる点を主に説明する。受電コイル４Ａは、本発明の非接触給電用コイルの別の実施形態に相当する。図１０は、別の実施形態の受電コイル４Ａの断面図である。受電コイル４Ａは、コア４１、巻線４５Ａ、およびボビン７Ａを備える。図１０に示されるコア４１は、図６および図７に示されたコア４１と同一形状である。
ボビン７Ａは、中脚主仕切り部７１、底面主仕切り部７２、および４個のブロック間仕切り部７６〜７９からなる一体品である。中脚主仕切り部７１は、コア４１の中脚部４３を周回する矩形筒状の部位である。底面主仕切り部７２は、環形板状の部位であり、中脚主仕切り部７１の周りに配置されて、コア４１の底面部４２に接する。４個のブロック間仕切り部７６〜７９は、矩形筒状の部位である。４個のブロック間仕切り部７６〜７９は、中脚主仕切り部７１の周りに、内外に相互に離隔して配置される。ブロック間仕切り部７６〜７９の軸線ＡＸ方向の一端は、底面主仕切り部７２につながっている。
中脚主仕切り部７１と、最も内側のブロック間仕切り部７６との間に、巻線収容スペース７５Ａが区画される。さらに、ブロック間仕切り部７６〜７９の相互間にも、それぞれ巻線収容スペース７５Ａが区画される。合計で４箇所の巻線収容スペース７５Ａは、筒形状の空間となっている。巻線収容スペース７５Ａの軸線ＡＸと交差する方向の隙間寸法Ｇは、リッツ線４９の等価外径寸法ＤＬに等しく設定されている。
図１０に示されるように、巻線４５Ａは、径方向に並ぶ４個の筒状巻線ブロック４５５〜４５８からなる。各筒状巻線ブロック４５５〜４５８は、それぞれ巻線収容スペース７５Ａに収容されている。筒状巻線ブロック４５５〜４５８は、軸線ＡＸ周りにリッツ線４９が軸線ＡＸ方向に２ターンだけ巻回されて形成されている。リッツ線４９の巻回ターン数は、２ターンに限定されない。本実施形態において、４個の筒状巻線ブロック４５５〜４５８は、電気的に直列接続されているが、並列接続されていてもよい。
ここで、各巻線収容スペース７５Ａの隙間寸法Ｇがリッツ線４９の等価外径寸法ＤＬと等しいので、巻回作業でリッツ線４９の型崩れが発生しない。したがって、受電コイル４Ａは、太径の単一の線材を用いる場合と比較して、リッツ線４９を用いたときの交流損失低減の効果が顕著となる。また、ブロック間仕切り部７６〜７８の厚さＴｂは、ブロック間仕切り部７６〜７８を挟むリッツ線４９の相互間に特定周波数で生じる近接効果の影響が所定量以下となるように定められている。これにより、受電コイル４Ａでも、近接効果に起因する交流損失の発生が適正に抑制される。
（５．実施形態の態様および効果）
受電コイル４は、本発明の非接触給電用コイルの一実施形態に相当する。受電コイル４は、特定周波数の交流電流が流れる巻線４５と、巻線４５に鎖交する周回磁路の一部を形成するコア４１とを備え、非接触給電システム１を構成する非接触給電用コイルであって、巻線４５は、導体４７の周りに絶縁被覆４８を有する線材４６の複数本で構成されるリッツ線４９がそれぞれ巻回された環形板状巻線ブロック４５３、４５４からなり、巻線４５とコア４１との間を仕切る中脚主仕切り部７１、底面主仕切り部７２、および、複数の巻線ブロックの相互間を仕切るブロック間仕切り部７３をもつボビン７をさらに備えた。
受電コイル４は、リッツ線４９がそれぞれ巻回された複数の巻線ブロックからなる巻線４５と、複数の巻線ブロックの相互間を仕切るブロック間仕切り部７３をもつボビン７と、を備える。このため、ブロック間仕切り部７３を挟んだ両側のリッツ線４９相互間の離隔距離がブロック間仕切り部７３の厚さＴｂ分だけ大きくなる。これにより、近接効果に起因する交流損失の発生が抑制される。
また、受電コイル４Ａは、本発明の非接触給電用コイルの別の実施形態に相当する。受電コイル４Ａは、特定周波数の交流電流が流れる巻線４５Ａと、巻線４５Ａに鎖交する周回磁路の一部を形成するコア４１とを有し、巻線４５Ａは、導体４７の周りに絶縁被覆４８を有する線材４６の複数本で構成されるリッツ線４９がそれぞれ巻回された複数の筒状巻線ブロック４５５〜４５８からなり、巻線４５Ａとコア４１との間を仕切る中脚主仕切り部７１、底面主仕切り部７２、および、複数の巻線ブロックの相互間を仕切るブロック間仕切り部７６〜７８をもつボビン７Ａをさらに備えた。
受電コイル４Ａにおいても、ブロック間仕切り部７６〜７８を挟んだリッツ線４９相互間の離隔距離がブロック間仕切り部７６〜７８の厚さＴｂ分だけ大きくなる。これにより、近接効果に起因する交流損失の発生が抑制される。
さらに、受電コイル４の複数の巻線ブロックは、リッツ線４９が径方向に順番に巻回されてそれぞれ形成されるとともに軸線ＡＸ方向に並ぶ複数の環形板状巻線ブロック４５３、４５４である。また、受電コイル４Ａの複数の巻線ブロックは、リッツ線４９が軸線ＡＸ方向に順番に巻回されてそれぞれ形成されるとともに径方向に並ぶ複数の筒状巻線ブロック４５５〜４５８である。これによれば、受電コイル４、４Ａに要求される受電容量や巻回作業の難易度などに合わせて、巻線４５、４５Ａの巻き方を始めとする内部構成を変更できるので、設計上の自由度が大きい。
さらに、受電コイル４、４Ａのブロック間仕切り部７３、７６〜７８の厚さＴｂは、ブロック間仕切り部７３、７６〜７８を挟むリッツ線４９の相互間に特定周波数で生じる近接効果の影響が所定量以下となるように定められた。これによれば、近接効果の影響だけでなく、受電コイル４、４Ａの大型化、重量増加、およびコストアップなどの短所も総合的に勘案して、ブロック間仕切り部７３の厚さＴｂを最適値に定めることができる。したがって、近接効果に起因する交流損失の発生が適正に抑制される。
さらに、受電コイル４、４Ａの複数の巻線ブロックは、複数本の線材４６が撚り合わされて構成されたリッツ線４９がそれぞれ巻回されたものである。そして、リッツ線４９が巻回されるボビン７の底面主仕切り部７２とブロック間仕切り部７３との間の隙間寸法Ｇ、ブロック間仕切り部７３とブロック端仕切り部７４との間の隙間寸法Ｇ、ならびに、ボビン７Ａの中脚主仕切り部７１とブロック間仕切り部７６との間の隙間寸法Ｇ、ブロック間仕切り部７６〜７９の相互間の隙間寸法Ｇは、リッツ線４９の等価外径寸法ＤＬと等しい。これによれば、リッツ線４９の断面形状が型崩れしないので、表皮効果に起因する交流損失の低減効果が顕著となる。
さらに、受電コイル４の巻線４５は、対向中間面Ｓｎに対してリッツ線４９が平行に、かつ径方向に順番に巻回されてそれぞれ形成されるとともに、対向中間面Ｓｎと直交する軸線ＡＸ方向に並ぶ複数の環形板状巻線ブロック４５３、４５４からなり、コア４１は、巻線４５の中央の中空部に嵌入する中脚部４３と、巻線４５の外周部の少なくとも一部を覆う側脚部４４と、巻線４５の対向中間面から離れた側の端面部を覆う底面部４２とを有し、ボビン７のブロック間仕切り部７３は環形板状である。これによれば、給電コイル３から到来した磁束が外部へ漏出することを抑制する磁気遮蔽効果が生じる。したがって、受電コイル４でも、漏洩磁束による損失が低減される。
また、実施形態の非接触給電システム１は、給電ユニット１Ｓに設けられた給電コイル３と、給電コイル３に特定周波数の交流電力を供給する交流電源回路２と、受電ユニット１Ｒに設けられ、給電コイル３に対向すると電気的に結合して非接触で交流電力を受け取る受電コイルと、受電コイルが受け取った交流電力を変換して駆動電圧を生成し、電気負荷に出力する受電回路５と、を備えた非接触給電システム１であって、給電コイル３は、特定周波数の交流電流が流れる巻線３５と、巻線３５に鎖交する周回磁路の一部を形成するコア３１とを有し、巻線３５は、導体３７の周りに絶縁被覆３８を有する線材３６が巻回されたものであり、絶縁被覆３８の被覆厚さＴｉは、隣接する線材３６の相互間に特定周波数で生じる近接効果の影響が所定量以下となるように定められ、受電コイルは、上記した受電コイル４または受電コイル４Ａである。
実施形態の非接触給電システム１において、給電コイル３の線材３６の絶縁被覆３８の被覆厚さＴｉは、単に導体３７間の絶縁性能を確保するだけでなく、近接効果の影響が所定量以下となるように定められている。このため、被覆厚さＴｉを変更することで導体３７間の離隔距離を自在に調整でき、近接効果に起因する交流損失の発生が適正に抑制される。一方、受電コイルは、上記した受電コイル４または受電コイル４Ａとされて、交流損失の発生が抑制される。したがって、給電コイル３および受電コイル４、４Ａの両方で交流損失が低減され、非接触給電システム１では良好な給電効率が得られる。
さらに、実施形態の非接触給電システム１において、給電ユニット１Ｓは、基板生産ライン９を構成する複数の第１〜第３基板生産機９１〜９３にそれぞれ同数個ずつ設けられ、受電ユニット１Ｒは、複数の第１〜第３基板生産機９１〜９３の列設方向に移動する移動体９９に設けられた。
これによれば、基板生産機９１〜９３の列設位置の順序変更、およびモジュール化された他の基板生産機との入れ替え、ならびに、列設台数が増設されるモジュール増設対応の全ての場合に、非接触給電システム１は、良好な受電状態が確保される。したがって、基板生産ライン９のライン構成の変更時やモジュール増設対応時に、非接触給電システム１に関する段取り替え作業は簡素である。
（６．実施形態の応用および変形）
なお、実施形態の非接触給電システム１において、幅寸法ＭＬが大きな基板生産機では、前面の移動方向に給電コイル３を２個並べて配置することもできる。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。
本発明の非接触給電用コイルは、実施形態の非接触給電システム１以外のシステム構成にも利用可能である。また、実施形態の非接触給電システム１は、基板生産ライン９への適用に限定されず、他の製品を生産する組立ラインや加工ライン、電動車両の走行中給電など幅広い分野に適用可能である。
１：非接触給電システム
１Ｓ：給電ユニット １Ｒ：受電ユニット
２：交流電源回路
３：給電コイル
３１：コア ３２：底面部 ３３：中脚部 ３４：側脚部
３５：巻線 ３６：線材 ３７：導体 ３８：絶縁被覆
４、４Ａ：受電コイル
４１：コア ４２：底面部 ４３：中脚部 ４４：側脚部
４５、４５Ａ：巻線 ４５３、４５４：環形板状巻線ブロック
４５５〜４５８：筒状巻線ブロック
４６：線材 ４７：導体 ４８：絶縁被覆 ４９：リッツ線
５：受電回路
７、７Ａ：ボビン
７１：中脚主仕切り部 ７２：底面主仕切り部
７３：ブロック間仕切り部 ７４：ブロック端仕切り部
７５、７５Ａ：巻線収容スペース ７６〜７９：ブロック間仕切り部
９：基板生産ライン ９１〜９３：第１〜第３基板生産機
９９：移動体
ＥＬ：電気負荷 Ｓｎ：対向中間面
Ｒ：巻線抵抗値 Ｒｄｃ：直流抵抗値 Ｒａｃ：交流抵抗値

Claims (5)

  1. 特定周波数の交流電流が流れる巻線と、前記巻線に鎖交する周回磁路の一部を形成するコアと、巻き型の機能を有するボビンとを備え、非接触給電システムを構成する非接触給電用コイルであって、
    前記巻線は、導体の周りに絶縁被覆を有する線材が径方向に順番に巻回されてそれぞれ形成される複数の環形板状巻線ブロックからなり、
    前記コアは、前記巻線の中央の中空部に嵌入する中脚部と、前記巻線の外周部の少なくとも一部を覆う２つの側脚部と、前記巻線の端面部を覆う底面部とを有して、断面がＥ字形状のＥ形コアであり、
    前記ボビンは、前記巻線と前記底面部との間を仕切る底面主仕切り部、前記巻線と前記中脚部との間を仕切る中脚主仕切り部、前記中脚部および前記側脚部の先端面に合わせて配置されるブロック端仕切り部、および、複数の環形板状巻線ブロックの相互間を仕切るブロック間仕切り部をもつ、
    非接触給電用コイル。
  2. 前記ブロック間仕切り部の厚さは、前記ブロック間仕切り部を挟む前記線材の相互間に前記特定周波数で生じる近接効果の影響が所定量以下となるように定められた、請求項１に記載の非接触給電用コイル。
  3. 複数の前記環形板状巻線ブロックは、複数本の前記線材が撚り合わされて構成されたリッツ線がそれぞれ巻回されたものであり、
    前記リッツ線が巻回される前記ボビンの前記底面主仕切り部と前記ブロック間仕切り部との間の隙間寸法、前記ブロック間仕切り部の相互間の隙間寸法、および前記ブロック間仕切り部と前記ブロック端仕切り部との間の隙間寸法は、前記リッツ線の外径寸法と等しく設定されて、
    前記非接触給電システムの受電コイルに用いられる、
    請求項１または２に記載の非接触給電用コイル。
  4. 給電ユニットに設けられた給電コイルと、
    前記給電コイルに特定周波数の交流電力を供給する交流電源と、
    受電ユニットに設けられ、前記給電コイルに対向すると電気的に結合して非接触で交流電力を受け取る受電コイルと、
    前記受電コイルが受け取った交流電力を変換して駆動電圧を生成し、電気負荷に出力する受電回路と、を備えた非接触給電システムであって、
    前記給電コイルは、前記特定周波数の交流電流が流れる巻線と、前記巻線に鎖交する周回磁路の一部を形成するコアとを有し、前記巻線は、導体の周りに絶縁被覆を有する線材が巻回されたものであり、前記絶縁被覆の被覆厚さは、隣接する前記線材の相互間に前記特定周波数で生じる近接効果の影響が所定量以下となるように定められ、
    前記受電コイルは、請求項１〜３のいずれか一項に記載の非接触給電用コイルである非接触給電システム。
  5. 前記給電ユニットは、基板生産ラインを構成する複数の基板生産機にそれぞれ同数個ずつ設けられ、前記受電ユニットは、前記複数の基板生産機の列設方向に移動する移動体に設けられた請求項４に記載の非接触給電システム。
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