JP7126677B2 - 電動アシスト軽車両の給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動モーターで駆動力の一部をアシストする自転車や車椅子等の軽車両において、その軽車両の駐輪中に、搭載したバッテリーに効率よく充電することを可能にした電動アシスト軽車両の給電装置に関するものである。

駐輪中に、搭載したバッテリーに充電することを可能にした電動自転車が知られている（特許文献１）。
図１５に示すように、この電動自転車１０には、車輪１４のリム１８に互いに周方向に隣接して複数個の中継コイル１１を配置し、また、フレーム１９には、前記中継コイル１１の両側に対峙して受電コイル１２が取り付けられている。この受電コイル１２は、ケーブル１５によりバッテリー１３に接続されている。
前記電動自転車１０の駐輪装置１６の路面には、前記前輪１４の両側に位置して給電コイル１７が埋設されている。

このような構成において、２つの給電コイル１７にそれぞれ１８０度異なる位相で電流を流すことにより、これら２つの給電コイル１７の間に図中矢印のように磁界２１が生成される。この磁界２１のほとんどは、路面の近傍に配置されている中継コイル１１に伝達される。路面からの距離と磁束密度の関係は、路面からの距離が近いほど大きくなる、とするものである。

特開２０１７－９３１１３号公報

特許文献１に示す電動自転車１０の給電装置は、リム１８が金属製など導電率の高い材料からなる場合には、給電効率が極めて低いという問題を有することが判明した。
多くの自転車の車輪には、アルミリムが用いられており、特許文献１に示すような給電装置をアルミリムの自転車に採用しようとすると、路面に近い磁界２１がアルミリムを通過し、中継コイルとの結合係数が極端に低下する。
この事実を実証するため、図１３に示すような給電装置を用いて非接触給電のコイル同士の結合率が低下することを以下の実験により検証した。

図１３において、コ字形のフェライトコア２２に給電コイル１７を巻回した給電装置を用い、この給電装置にインバータ電源２３から電力を供給し、車輪部分に設置した円形の中継コイル１１に送電し、この中継コイル１１から車軸に設けた回転型非接触受電コイル１２を介在してバッテリー１３に給電するものとする。
このような構成において、リム１８がアルミからなる場合、大半の磁界２１がアルミリムを通過し、中継コイル１１との結合係数ｋが０．０３３０と極端に低く、給電効率ηが１６．８％に低下することが判明した。

本発明は、車輪にアルミなどの導電性リムを用いた電動アシスト軽車両において、駐輪時に伝送損失が少なく、効率よく給電することを可能にした給電装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、
駐輪装置１６に設けた電動アシスト軽車両１０の給電装置９の給電コイル１７と、前記電動アシスト軽車両１０の車輪１４に設けた中継コイル１１を磁気結合して電力を伝送するようにした電動アシスト軽車両の給電装置９において、
前記給電装置９は、前記車輪１４の両側に隙間をもって対峙して配置されたフェライトコア２２と、このフェライトコア２２に巻回した前記給電コイル１７と、前記フェライトコア２２の前記給電コイル１７を巻回しないで露出した磁界発生のための磁極部２２ａとを有し、この磁極部２２ａと前記車輪１４の導電性のリム１８との間を３ｍｍ以上離して形成したことを特徴とする。

前記フェライトコア２２は、両側に隙間をもって車輪１４が入れるようにコの字形に形成し、この両側のフェライトコア２２の上部に、磁極部２２ａを形成したことを特徴とする。

他の例として、前記フェライトコア２２は、両側に隙間をもって車輪１４が入れるような２個の別部材からなり、それぞれのフェライトコア２２の上部に、磁極部２２ａを形成したことを特徴とする。

前記中継コイル１１は、前記車輪１４と一体に回転するように、前記磁極部２２ａの磁界中に配置され、この中継コイル１１の他端に、コンデンサ２９を介在して２段目の中継コイル１１ｘを接続し、この２段目の中継コイル１１ｘに受電コイル１２を磁気結合してなることを特徴とする。

前記中継コイル１１は、前記車両１０のフレーム１９と一体に固定的に取り付けてもよく、前記磁極部２２ａの磁界中に配置され、この中継コイル１１の他端に、コンデンサを介在して出力してなることを特徴とする。

前記中継コイル１１は、前記車輪１４と一体に回転するように、前記磁極部２２ａの磁界中に所定の間隔で複数個を相互に並列に配置され、これらの中継コイル１１の他端に、コンデンサを介在して２段目の中継コイル１１ｘを接続し、この２段目の中継コイル１１ｘに受電コイル１２を磁気結合してなることを特徴とする。

前記磁極部２２ａと前記車輪１４の導電性のリム１８との間を少なくとも８ｍｍ離して形成したことを特徴とする。

前記フェライトコア２２に車輪１４を入れたときの両側に隙間は、１０～３０ｍｍとしたことを特徴とする。

請求項１記載の発明は、
車輪１４がタイヤ２５と導電性リム１８を具備した電動アシスト軽車両１０であって、この電動アシスト軽車両１０に給電するための駐輪装置１６に設けた給電装置９の給電コイル１７と、前記車輪１４に設けた中継コイル１１とを磁気結合して電力を伝送するようにした電動アシスト軽車両の給電装置９において、
前記中継コイル１１を、前記車輪１４の車軸２７と前記導電性リム１８との間に配置し、
前記給電コイル１７を巻回したフェライトコア２２を、給電時に前記車輪１４が隙間を持って入れるように両側にコの字形に形成し、
このフェライトコア２２の両側上部にそれぞれ、前記給電コイル１７を巻回しないで露出した磁界発生のための磁極部２２ａを、給電時にこれらの磁極部２２ａの間の磁界中に前記中継コイル１１が配置されるように形成し、
前記給電コイル１７による給電時に、前記両側の磁極部２２ａの間を通過する磁界が前記中継コイル１１を通過するが、前記導電性リム１８をできるだけ通過しないように、前記磁極部２２ａと前記導電性のリム１８との間を、３ｍｍ以上離して形成したので、車輪１４に導電性のリム１８を有するものであっても、電力伝送の損失が少なく、かつ、結合効率の高い給電装置を提供することができる。

請求項２記載の発明は、
前記フェライトコア２２は、両側に隙間をもって車輪１４が入れるようなコ字形に一体に連結してなるので、給電装置を簡単な構成とすることができる。

請求項３記載の発明は、
前記フェライトコア２２は、両側に隙間をもって車輪１４が入れるような２個の別部材からなり、それぞれのフェライトコア２２の上部に、磁極部２２ａを形成したので、車輪１４が入れる隙間Ｂを車輪の幅に応じて構成でき、しかも伝送の損失が少なく、かつ、効率の良い構成とすることができる。

請求項４の発明によれば、
前記中継コイル１１は、前記車輪１４と一体に回転するように、前記磁極部２２ａの磁界中に配置され、この中継コイル１１の他端に、コンデンサ２９を介在して２段目の中継コイル１１ｘを接続し、この２段目の中継コイル１１ｘに受電コイル１２を磁気結合したので、磁界による伝送距離を広く設定することができる。

請求項５の発明によれば、
前記中継コイル１１は、前記車両１０のフレーム１９と一体に固定的に、前記磁極部２２ａの磁界中に配置され、この中継コイル１１の他端に、コンデンサを介在して出力したので、駐輪時に中継コイル１１が１個でも給電装置との位置合わせが必要なくなる。

請求項６の記載によれば、
前記中継コイル１１は、前記車輪１４と一体に回転するように、前記磁極部２２ａの磁界中に所定の間隔で複数個を相互に並列に配置され、これらの中継コイル１１の他端に、コンデンサを介在して２段目の中継コイル１１ｘを接続し、この２段目の中継コイル１１ｘに受電コイル１２を磁気結合したので、駐輪時に複数個のうちのいずれかの中継コイル１１が給電装置と磁気結合し、位置合わせが必要なくなる。また、車輪１４の回転バランスに偏りがなくなる。

請求項７の記載によれば、
前記フェライトコア２２に前記車輪１４を入れたときの両側の隙間が２０ｍｍで、前記磁極部２２ａと前記導電性のリム１８との間を８ｍｍ離して形成したので、導電性のリム１８による悪影響を排除し、伝送の損失が少なく、かつ、磁気結合効率の良い構成とすることができる。

請求項８の記載によれば、
前記フェライトコア２２に車輪１４を入れたときの両側に隙間は、１０～３０ｍｍとしたので、車輪１４の幅の異なる多くの車両に対応することができる。

本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の実施例１を示す正面図である。 図１における本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の拡大断面図である。 図１における本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の等価回路図である。 本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の実施例２を示す断面図である。 本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の実施例３を示す正面図である。 図５における本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の拡大断面図である。 図５における本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の等価回路図である。 本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の実施例４を示す正面図である。 本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の実施例５を示す断面図である。 図９における本発明による電動アシスト軽車両１０の給電装置９の等価回路図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ異なる隙間Ｂ毎のトランス損失比較図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ異なる隙間Ｂ毎のトランス効率比較図である。 アルミリムの場合の結合効率の実験のための断面図である。 アルミとフェライトコアとの磁界の通過を測定するための給電側と受電側のトランスの断面図である。 従来の給電装置の説明図である。

本発明は、
駐輪装置１６に設けた電動アシスト軽車両１０の給電装置９の給電コイル１７と、前記電動アシスト軽車両１０の車輪１４に設けた中継コイル１１を磁気結合して電力を伝送するようにした電動アシスト軽車両の給電装置９において、
前記給電装置９は、前記車輪１４の両側に隙間をもって対峙して配置されたフェライトコア２２と、このフェライトコア２２に巻回した前記給電コイル１７と、前記フェライトコア２２の前記給電コイル１７を巻回しないで露出した磁界発生のための磁極部２２ａとを有し、この磁極部２２ａと前記車輪１４の導電性のリム１８との間を３ｍｍ以上、好ましくは、８ｍｍ以上離して形成する。

前記フェライトコア２２は、両側に隙間をもって車輪１４が入れるようにコの字形に形成し、この両側のフェライトコア２２の上部に、磁極部２２ａを形成してもよく、また、前記フェライトコア２２は、両側に隙間をもって車輪１４が入れるような２個の別部材からなり、それぞれのフェライトコア２２の上部に、磁極部２２ａを形成してもよい。

前記中継コイル１１は、前記車輪１４と一体に回転するように、前記磁極部２２ａの磁界中に配置され、この中継コイル１１の他端に、コンデンサ２９を介在して２段目の中継コイル１１ｘを接続し、この２段目の中継コイル１１ｘに受電コイル１２を磁気結合して構成する。
また、前記中継コイル１１は、前記車両１０のフレーム１９と一体に固定的に、前記磁極部２２ａの磁界中に配置され、この中継コイル１１の他端に、コンデンサを介在して出力してなるものとすることができる。

前記中継コイル１１は、前記車輪１４と一体に回転するように、前記磁極部２２ａの磁界中に所定の間隔で複数個を相互に並列に配置され、これらの中継コイル１１の他端に、コンデンサを介在して２段目の中継コイル１１ｘを接続し、この２段目の中継コイル１１ｘに受電コイル１２を磁気結合する。
前記フェライトコア２２に車輪１４を入れたときの両側に隙間は、１０～３０ｍｍとすることが好ましい。

本発明の実施例１を図面に基づき説明する。電動アシスト軽車両が電動自転車である場合を例にするが、車椅子その他の電動アシスト軽車両を含むものとする。
図１から図３において、駐輪装置１６の車止め２０に電動自転車１０の車輪１４を駐輪したとき、車輪１４が入り込む位置に、本発明の電動アシスト軽車両１０の給電装置９が設置される。
この電動アシスト軽車両１０の給電装置９は、タイヤ２５とリム１８からなる車輪１４が余裕をもって入り込めるように、両側に隙間Ｂを持ったコ字形のフェライトコア２２と、このフェライトコア２２の両側に分割して巻かれた給電コイル１７とからなり、このフェライトコア２２の両側上部には、それぞれ給電コイル１７を巻回していない磁界発生のための磁極部２２ａを形成し、これらの磁極部２２ａの間の磁界中に中継コイル１１を配置する。この中継コイル１１は、前記リム１８と車軸２７との間のホーク２４の両側に取り付けられる。
前記給電コイル１７には、コンデンサ２８を介してインバータ電源２３が接続される。
なお、前記フェライトコア２２は、コ字形に一体に連結しているものに限られず、両側のフェライトコア２２、２２が互いに独立して対峙しているものであってもよい。
また、中継コイル１１は、前記リム１８と車軸２７との間のホーク２４の片側だけに取り付けたものであってもよい。

以上のような構成による電力伝送の作用を説明する。
駐輪装置１６における給電装置９に、電動自転車１０の車輪１４を入れて、給電装置９にスイッチを入れると、インバータ電源２３からの高周波信号が給電コイル１７に加えられ、ＬＣ発振回路で発振してフェライトコア２２における磁極部２２ａ間に磁界２１が交互に発生する。この磁界２１が中継コイル１１を通過してこの中継コイル１１にて給電装置９からの電力を取得し、さらに２段目の中継コイル１１ｘと受電コイル１２の磁気結合により受電コイル１２に電力が伝送され、整流平滑回路３１で整流平滑化してバッテリー１３に充電する。
ここで、磁気結合時の損失を抑制し、効率的に電力を伝送するための機構を説明する。

前記フェライトコア２２の両側上部の磁極部２２ａは、この磁極部２２ａの下端部からリム１８までに距離Ａをおき、リム１８に磁界ができるだけ通過しないようにすることが望ましい。また、前記フェライトコア２２の幅は、駐輪した車輪１４との間に隙間Ｂを持つように設定する。この隙間Ｂは、種々の幅の車輪が入り込めるものであることか必要である。これらの距離Ａと隙間Ｂは、後述する方法で設定する。
前記中継コイル１１は、車軸２７に取り付けられた２段目の中継コイル１１ｘにコンデンサ２９を介して接続され、この２段目の中継コイル１１ｘは、車両１０のフレーム１９に取り付けられた受電コイル１２と磁気結合している。

前記給電装置９は、図３に示すような等価回路で表される。この図３において、商用電源が力率改善回路３０を介してインバータ電源２３に供給され、このフェライトコア２２で高周波数に変換され、コンデンサ２８と給電コイル１７で構成されたＬＣ発振回路で発振する。前記フェライトコア２２の発振周波数は、高い周波数にすることで給電装置９を小型化して伝送距離を増やすことが可能になるが、発振回路の構成が難しくなり、また、低い発信周波数のままで伝送距離を延ばすと、給電装置９全体が大型になる。そのため、５０ｋＨｚ～２００ｋＨｚ程度、具体的には、８５ｋＨｚに設定している。
前記給電コイル１７に磁気結合された中継コイル１１と２段目の中継コイル１１ｘとコンデンサ２９からなる２段方式のＬＣ回路は、さらに、受電コイル１２とコンデンサ３２からなるＬＣ回路に磁気結合される。

前記磁極部２２ａの下端部からリム１８までの距離Ａは、磁気結合係数ｋと給電効率ηを考慮すると、８ｍｍ程度とすることが好ましく、また、前記フェライトコア２２と駐輪した車輪１４との隙間Ｂは、車輪１４の太さや駐輪時の電動自転車１０の出し入れの容易さなどによって異なるが、１０～３０ｍｍとすることが好ましい。

前記距離Ａと隙間Ｂを設定するための実験の結果を説明する。
図１４において、給電装置９に対応する給電側トランス３３と、リム１８と中継コイル１１を有する受電側に対応する受電側トランス３４を構成する。前記給電側トランス３３は、フェライトコア２２にボビン３５をもって給電コイル１７を巻回し、前記フェライトコア２２の一端面が露出するように絶縁層３６を介してアルミケース３７で保護する。同様に、前記受電側トランス３４は、フェライトコア３８にボビン３５をもって中継コイル１１を巻回し、前記フェライトコア３８の一端面が露出するように絶縁層４０を介して前記リム１８に見立てたアルミケース４１で保護する。この受電側トランス３４の絶縁層４０の厚さが前記距離Ａに対応する。

このような構成による実験結果は、図１１及び図１２に示すとおりである。
図１１（ａ）において、給電側トランス３３と受電側トランス３４の隙間Ｂ＝１０ｍｍの時は、隙間が小さいので、距離Ａが８ｍｍ、４ｍｍ、２ｍｍの違いがあってもそれほど損失に大きな差がない。隙間Ｂ＝１５ｍｍの図１１（ｂ）では、距離Ａが８ｍｍと４ｍｍの損失の違いはあまりないが、２ｍｍになると損失に大きな差があらわれる。隙間Ｂ＝２０ｍｍになると、図１１（ｃ）のように、距離Ａが８ｍｍでの損失は少ないが、４ｍｍ、２ｍｍになると大きな損失があらわれることを表している。

図１２（ａ）において、給電側トランス３３と受電側トランス３４の隙間Ｂ＝１０ｍｍの時は、隙間が小さいので、距離Ａが８ｍｍ、４ｍｍ、２ｍｍの違いほど効率に大きな差がない。隙間Ｂ＝１５ｍｍの図１２（ｂ）では、距離Ａが８ｍｍと４ｍｍの効率の違いはあまりないが、２ｍｍになると効率が小さくなる。隙間Ｂ＝２０ｍｍになると、図１２（ｃ）のように、距離Ａが２ｍｍでの効率は小さいが、４ｍｍ、８ｍｍになると次第に効率が大きくなる。
以上の図１１及び図１２から、出力電力が３０Ｗでは、隙間Ｂ＝２０ｍｍとすると、距離Ａが８ｍｍのときに損失が小さく、かつ、効率が良いことがわかる。
したがって、隙間Ｂ＝２０ｍｍに設定したとき、距離Ａを少なくとも８ｍｍに設定すると、損失が小さく、かつ、効率が良いことがわかる。

図２に示す実施例では、フェライトコア２２の両側に給電コイル１７を分割して巻回した例を示したが、図４に示すように、フェライトコア２２の両側と底部にも給電コイル１７を巻回するようにしてもよい。
図１に示す実施例では、車輪１４に、扇形の中継コイル１１を１つだけ設けた例を示したので、給電装置９と中継コイル１１を磁気結合する位置に電動自転車１０を駐輪する必要がある。そのため、図５及び図６に示すように、車輪１４の全周囲に中心角１２０度の間隔で３個の中継コイル１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を設けるようにすると、駐輪時の給電装置９と中継コイル１１の位置合わせが必要なくなる。この時の等価回路は、図７のように示される。

図１の例では、中心角７２度程度の扇形の１個の中継コイル１１を設け、図５では、中心角１２０度の３個の中継コイル１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を設けたが、この例に限られるものではなく、車輪１４の全周囲であれば、２個でも、４個以上でもよく、また、図８に示すように全周囲に３６０度の１個の中継コイル１１を設けるようにしてもよい。

以上の実施例では、中継コイル１１は、車輪１４と一体に回転するようにホーク２４に取り付けた例を示したが、図９に示すように、車輪１４の片側又は両側に位置し、前記車輪１４とともに回転しないように車両１０のフレーム１９に一体に取り付け材４２を取り付け、この取り付け材４２に中継コイル１１を取り付けるようにしてもよい。このようにフレーム１９と一体の取り付け材４２に中継コイル１１を取り付けた場合には、中継コイル１１の取り付け位置は、電動アシスト軽車両１０の給電装置９と磁気結合する１個所だけに取り付けても電動自転車１０の駐輪時に確実に磁気結合することができる。また、中継コイル１１は、２段の磁気結合ではなく、図１０に示すような等価回路になるような回路の接続をすればよい。

１０…電動自転車、１１…中継コイル、１２…受電コイル、１３…バッテリー、１４…車輪、１５…ケーブル、１６…駐輪装置、１７…給電コイル、１８…リム、１９…フレーム、２０…車止め、２１…磁界、２２…フェライトコア、２３…インバータ電源、２４…ホーク、２５…タイヤ、２６…台座、２７…車軸、２８…コンデンサ、２９…コンデンサ、３０…力率改善回路、３１…整流平滑回路、３２…コンデンサ、３３…給電側トランス、３４…受電側トランス、３５…ボビン、３６…絶縁層、３７…アルミケース、３８…フェライトコア、３９…ボビン、４０…絶縁層、４１…アルミケース、４２…取り付け材。

Claims (8)

1. 車輪１４がタイヤ２５と導電性リム１８を具備した電動アシスト軽車両１０であって、この電動アシスト軽車両１０に給電するための駐輪装置１６に設けた 給電装置９の給電コイル１７と、前記車輪１４に設けた中継コイル１１とを磁気結合して電力を伝送するようにした電動アシスト軽車両の給電装置９において、
   前記中継コイル１１を、前記車輪１４の車軸２７と前記導電性リム１８との間に配置し、
   前記給電コイル１７を巻回したフェライトコア２２を、給電時に前記車輪１４が隙間を持って入れるように両側にコの字形に形成し、
   このフェライトコア２２の両側上部にそれぞれ、 前記給電コイル１７を巻回しないで露出した磁界発生のための磁極部２２ａを、給電時にこれらの磁極部２２ａの間の磁界中に前記中継コイル１１が配置されるように形成し、
   前記給電コイル１７による給電時に、前記両側の磁極部２２ａの間を通過する磁界が前記中継コイル１１を通過するが、前記導電性リム１８をできるだけ通過しないように、 前記磁極部２２ａと前記導電性のリム１８との間を、３ｍｍ以上離して形成したことを特徴とする電動アシスト軽車両の給電装置。
2. 前記フェライトコア２２は、両側に隙間をもって車輪１４が入れるようなコ字形に一体に連結してなることを特徴とする請求項１記載の電動アシスト軽車両の給電装置。
3. 前記フェライトコア２２は、両側に隙間をもって車輪１４が入れるような２個の別部材からなり、それぞれのフェライトコア２２の上部に、磁極部２２ａを形成したことを特徴とする請求項１記載の電動アシスト軽車両の給電装置。
4. 前記中継コイル１１は、前記車輪１４と一体に回転するように、前記磁極部２２ａの磁界中に配置され、この中継コイル１１の他端に、コンデンサ２９を介在して２段目の中継コイル１１ｘを接続し、この２段目の中継コイル１１ｘに受電コイル１２を磁気結合してなることを特徴とする請求項１記載の電動アシスト軽車両の給電装置。
5. 前記中継コイル１１は、前記車両１０のフレーム１９と一体に固定的に、前記磁極部２２ａの磁界中に配置され、この中継コイル１１の他端に、コンデンサを介在して出力してなることを特徴とする請求項１記載の電動アシスト軽車両の給電装置。
6. 前記中継コイル１１は、前記車輪１４と一体に回転するように、前記磁極部２２ａの磁界中に所定の間隔で複数個を相互に並列に配置され、これらの中継コイル１１の他端に、コンデンサを介在して２段目の中継コイル１１ｘを接続し、この２段目の中継コイル１１ｘに受電コイル１２を磁気結合してなることを特徴とする請求項１記載の電動アシスト軽車両の給電装置。
7. 前記フェライトコア２２に前記車輪１４を入れたときの両側の隙間が２０ｍｍで、 前記磁極部２２ａと前記導電性のリム１８との間を８ｍｍ離して形成したことを特徴とする請求項１記載の電動アシスト軽車両の給電装置。
8. 前記フェライトコア２２に車輪１４を入れたときの両側に隙間は、１０～３０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載の電動アシスト軽車両の給電装置。
   

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