JP7552119B2 - 非接触給電に用いられる伝送コイル - Google Patents

Description

本開示は、非接触給電に用いられる伝送コイルに関する。

特許文献１には、非接触給電に用いられる伝送コイルの例が開示されている。この伝送コイルは、基板と、基板上に配置され渦巻状に巻回されたコイルとを備え、コイルのコイル導体断面の両側面および両端部上に磁性体を設けることにより、表皮効果や近接効果による高周波損失を低減して交流抵抗の増大を抑制している。

特開２０１９－１１０２５２号公報

しかしながら、上記構造の伝送コイルでは、コイル導体断面の両側面及び両端部上に設けられた磁性体の磁路における磁性体の内側の角部分から発生する磁界によって、交流抵抗が増加するという課題がある。

本開示の一形態によれば、非接触給電に用いられる伝送コイル１０が提供される。この伝送コイル（１０）は、巻回されたコイル導体（２１）で構成され、磁束と交わる一方の表面（２３）と前記一方の表面と反対向きの他方の表面（２４）とを有するコイル（２０，２０Ｃ）と、前記一方の表面（２３）に配置された第１磁性体（３０）と、前記第１磁性体の前記一方の表面（２３）に配置された前記コイルの内周の側面（２５）に沿って配置された内側磁性体（４０ｉ）及び外周の側面（２６）に沿って配置された外側磁性体（４０ｏ）を含み、前記第１磁性体とともに前記コイルから発生する磁束を誘導する第２磁性体（４０）と、備え、前記第２磁性体の高さが前記コイルの高さの１．７５倍以上３倍以下に設定されることにより、前記第２磁性体の端縁部分（４４）が前記コイルの前記他方の表面（２４）から離れるように構成される。
本開示の他の形態によれば、非接触給電に用いられる伝送コイル１０が提供される。この伝送コイル（１０）は、巻回されたコイル導体（２１）で構成され、磁束と交わる一方の表面（２３）と前記一方の表面と反対向きの他方の表面（２４）とを有するコイル（２０，２０Ｃ）と、前記一方の表面（２３）に配置された第１磁性体（３０）と、前記第１磁性体の前記一方の表面（２３）に配置された前記コイルの内周の側面（２５）に沿って配置された内側磁性体（４０ｉ）及び外周の側面（２６）に沿って配置された外側磁性体（４０ｏ）を含み、前記第１磁性体とともに前記コイルから発生する磁束を誘導する第２磁性体（４０）と、を備え、前記第２磁性体の高さは、前記コイルの高さと同じであり、前記第２磁性体が前記コイルの側面から側方に前記コイルの高さの０．２５倍以上２倍以下に設定された間隔をおいて離間して配置されることにより、前記第２磁性体の端縁部分（４４）が前記コイルの前記他方の表面（２４）から離れるように構成される。
上記の形態の非接触給電用の伝送コイルによれば、第２磁性体と外部空間との間を出入りする磁束の集中する磁性体部分が、外部空間に接する他方の表面から離れるように設けられるので、第２磁性体と外部空間との間を出入りする磁束の集中する磁性体部分とコイルとの間で出入りする磁束を低減することができ、コイルに発生する渦電流による交流抵抗の増加を抑制することができる。

第１実施形態の伝送コイルの構成を示す概略平面図。 図１の伝送コイルの２－２断面を示す概略断面図。 図２の伝送コイルの一部を拡大した概略断面図。 第２磁性体無しの構成の問題点を示す説明図。 第２磁性体とコイルの高さが等しい場合の問題点を示す説明図。 実施形態の構成の効果について示す説明図。 図６の構成の効果を図４及び図５の構成と比較して示す説明図。 第２磁性体の形状の変形例について示す説明図。 第２磁性体の形状の別の変形例について示す説明図。 第２磁性体の太さと交流抵抗との関係を示すグラフ。 第２磁性体の高さと交流抵抗との関係を示すグラフ。 第２磁性体の比透磁率と交流抵抗との関係を示すグラフ。 第２実施形態の伝送コイルの構成を示す概略断面図。 第２磁性体とコイルとの間の間隔と交流抵抗との関係を示すグラフ。 第３実施形態の伝送コイルの構成を示す概略断面図。 車両用の非接触給電装置に伝送コイルを適用した例を示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１の概略平面図及び図２の概略断面図に示す第１実施形態としての非接触給電用の伝送コイル１０は、コイル２０と、コイル２０の磁束と交わる一方の表面２３及び他方の表面２４のうちの一方の表面２３に配置された第１磁性体３０と、コイル２０の内周の側面２５及び外周の側面２６に配置された第２磁性体４０と、備える。なお、内周の第２磁性体４０を「第２磁性体４０ｉ」とし、外周の第２磁性体４０を「第２磁性体４０ｏ」として、区別して示す場合もある。

コイル２０は、図３の概略断面図に示すように、アルミニウムや銅等のプリント配線が樹脂２２で構成される各基板の層に形成されることにより、コイル導体２１がヘリカル状に形成されるプリント基板で構成される。一方の表面２３と、一方の表面２３とは反対向きの他方の表面２４と、一方の表面２３及び他方の表面２４とコイル２０の内周の側面２５及び外周の側面２６は、樹脂２２で覆われている。

コイル２０の一方の表面２３は巻回されたコイル導体２１の一方端側の表面であり、他方の他方の表面２４は巻回されたコイル導体２１の他方端側の表面である。なお、一方端側の表面及び他方端側の表面には、コイル導体２１を覆う樹脂２２が介在されている。コイル２０の内周の側面２５及び外周の側面２６は、積層されたコイル導体２１の内周の側面及び外周の側面である。なお、コイル導体２１の内周の側面及び外周の側面には、コイル導体２１を覆う樹脂２２が介在されている。

なお、コイル２０は、上述のようなプリント基板で構成されたコイルに限定されるものではなく、リッツ線を巻回したコイルや、平角線をエッジワイズ巻きしたエッジワイズコイル等の種々のコイルを用いることができる。

第１磁性体３０及び第２磁性体４０には、透磁率の高い磁性材料、例えば、Ｍｎ―Ｚｎ系のフェライトであるＰＣ９５（ＴＤＫ社）を用いることができる。但し、これに限定されるものではなく、種々の磁性材料を用いることができる。なお、第２磁性体４０の透磁率については、後述する。

第１磁性体３０は、図１及び図２に示すように、一方の表面２３側のコイル２０の全体を覆い、一方の表面２３に接するように設けられている。

第２磁性体４０は、図２及び図３に示すように、第２磁性体４０ｉがコイル２０の内周の側面２５及び第１磁性体３０に接するように設けられ、第２磁性体４０ｏがコイル２０の外周の側面２６及び第１磁性体３０に接するように設けられている。

また、第２磁性体４０は、図３に示すように、コイル２０側を向く端縁部分４４がコイル２０の他方の表面２４から距離ｄｈ（ｄｈは０よりも大きい）だけ離れるように、第２磁性体４０の高さｈｍがコイル２０の高さｈｃよりも高くなる構造を有している。なお、第２磁性体４０の高さｈｍ及び幅ｗｍについては、後述する。

第２磁性体４０の高さｈｍがコイル２０の高さｈｃよりも高くなる構造を有することにより、伝送コイル１０は、以下で説明するように、課題で説明した交流抵抗の増加を抑制することができる。

図４に示す第２磁性体４０が無い構成の場合、図７の左上欄に示すように、コイル２０の端部の磁束密度が高くなり、コイル２０を鎖交する磁束は、図４に示すように、コイル２０の側端部を貫く。コイル２０の側端部を鎖交する磁束は渦電流を発生し、図７の左下欄に示すように、コイル２０の側端部の電流密度の上昇を招く。この電流密度の増加は損失（渦電流損失）の増加、すなわち、コイル２０の交流抵抗の増加を招く。

また、図５に示す第２磁性体４０（４０ｉ，４０ｏ）が設けられた構成の場合、図７の中央上欄に示すように、第２磁性体４０の磁束密度が高くなり、コイル２０を鎖交する磁束（図４参照）を、図５に示すように第２磁性体４０に誘導することができる。このため、第２磁性体４０が設けられた構成の場合、コイル２０の側端部を鎖交する磁束により発生するコイル２０の交流抵抗の増加を低減することができる。しかしながら、図５に示すように、第２磁性体４０の端縁部分４４は、図７の中央上欄に示すように、第２磁性体４０と外部空間との間を出入りする磁束が集中し、磁束密度が高くなる磁性体部分となる。このため、図５に示すように、磁束密度が高くなる端縁部分４４が、コイル２０の他方の表面２４に近接している場合、図７の中央下欄に示すように、端縁部分４４と他方の表面２４の側端部との間の空間の磁束密度が高くなり、他方の表面２４を鎖交する漏れ磁束が発生する。他方の表面２４を鎖交する漏れ磁束はコイル２０の側端部の他方の表面２４側の部分で渦電流を発生し、図７の中央下欄に示すように、他方の表面２４側のコイル２０の側端部の電流密度の上昇を招き、損失（渦電流損失）の増加、すなわち、コイル２０の交流抵抗の増加を招く。

図６に示す実施形態の構成（図３参照）の場合、端縁部分４４が他方の表面２４から離れている。端縁部分４４と他方の表面２４との間の磁束は、距離（間隔）の２乗で減衰するため、端縁部分４４が他方の表面２４に近接している構成（図５参照）の場合に比べて、図７の右上欄に示すように、端縁部分４４と他方の表面２４の端部との間の空間の磁束密度の上昇を大幅に低くすることができ、漏れ磁束を大幅に低減することが可能である。この結果、図７の右下欄に示すように、他方の表面２４側のコイル２０の側端部の電流密度の上昇を大幅に低くして、損失（渦電流損失）の大幅な低減、すなわち、コイル２０の交流抵抗の大幅な低減を図ることができる。

なお、第２磁性体４０は、図８に示すように、端縁部分４４が面取りされた形状であってもよい。また、第２磁性体４０は、図９に示すように、端縁部分４４がコイル２０側に折れ曲がった形状であってもよい。第２磁性体４０は、外部空間との間で出入りする磁束が集中する端縁部分４４がコイル２０の他方の表面２４から離れるように構成された形状であればよい。

以下では、図１０のグラフを用いて、第２磁性体４０の太さｗｍ（図３参照）と交流抵抗Ｒａｃとの関係について説明する。横軸の第２磁性体４０の太さｗｍは、設定の太さｗｒに対する相対値ｗｍ／ｗｒで表されており、縦軸の交流抵抗Ｒａｃは、設定の太さｗｒにおける交流抵抗Ｒｗｒに対する相対値Ｒａｃ／Ｒｗｒで表されている。

図１０からわかるように、第２磁性体４０の太さＷｍは、交流抵抗Ｒａｃにほとんど影響を与えない。このため、第２磁性体４０の太さｗｍは、磁気飽和しないような大きさに設定されればよい。例えば、磁気飽和しない範囲で最小の大きさに設定されればよい。

次に、図１１のグラフを用いて、第２磁性体４０の高さｈｍ（図３参照）と交流抵抗Ｒａｃとの関係について説明する。横軸の第２磁性体４０の高さｈｍは、コイル２０の高さｈｃに対する比ｈｍ／ｈｃで表されており、縦軸の交流抵抗Ｒａｃは、基準のコイル高さ比ｈｍ／ｈｃ＝１．００における交流抵抗Ｒｈｒに対する相対値Ｒａｃ／Ｒｈｒで表されている。

図１１からわかるように、第２磁性体４０の高さｈｍがコイル２０の高さｈｃよりも高く、第２磁性体４０の端縁部分４４がコイル２０の他方の表面２４から距離ｄｈ（＝ｈｍ－ｈｃ，図３参照）だけ離すことができるので、交流抵抗Ｒａｃを低くすることができる。特に、ｈｍ／ｈｃ≧１．７５であれば、ｈｍ／ｈｃ＝１の場合に比べて交流抵抗Ｒａｃを１／２以下に小さくすることができる。なお、ｈｍ／ｈｃ＞３の場合には、交流抵抗Ｒａｃは１／３～１／４程度の値に収束し、交流抵抗Ｒａｃの低減効果は変わらなくなる。従って、１＜ｈｍ／ｈｃ≦３の範囲で第２磁性体４０の高さｈｍを設定すれば、伝送コイル全体の高さ方向の体格の増加を抑制しつつ、十分な交流抵抗の低減効果を得ることができる。

次に、図１２を用いて、第２磁性体４０の比透磁率μｒと交流抵抗Ｒａｃとの関係について説明する。図１２は、第２磁性体４０の比透磁率μｒが、μｒ＝１、すなわち、第２磁性体無しの場合、μｒ＝１０の場合、μｒ＝２０の場合、μｒ＝５０の場合、μｒ＝１００の場合、μｒ＝２００の場合、及び、μｒ＞１０００の磁性材料ＰＣ９５（ＴＤＫ社）の場合のそれぞれ交流抵抗Ｒａｃを示している。なお、交流抵抗Ｒａｃは、磁性体無しの場合の交流抵抗Ｒｒに対する相対値Ｒａｃ／Ｒｒで表されている。

図１２からわかるように、１０≦μｒ≦２００の磁性体であれば、交流抵抗Ｒａｃを３０％以上の十分な低減効果を得ることができる。従って、上述の説明では、第２磁性体４０として第１磁性体３０と同じ磁性材料ＰＣ９５を用いた磁性体を例として説明したが、例えば、フレキシブル磁性体シートのように、柔軟性があり設置の容易性が高いが、比透磁率μｒが低い磁性体を第２磁性体として利用することができる。また、比透磁率が低い磁性塗布材料を用いて、コイルをプリント基板にて製造する際に、一体製造することも可能である。従って、１０≦μｒ≦２００の磁性体を第２磁性体４０とすれば、第２磁性体を備える伝送コイル１０の製造が容易である。

Ｂ．第２実施形態：
図１３の概略断面図に示す第２実施形態の伝送コイル１０Ｂは、第１実施形態の伝送コイル１０（図３参照）と同様に、コイル２０と、第１磁性体３０と、第２磁性体４０（４０ｉ，４０ｏ）と、を備える。但し、伝送コイル１０の第２磁性体４０の高さｈｍがコイル２０の高さｈｃよりも高いのに対して、伝送コイル１０Ｂの第２磁性体４０の高さｈｍはコイル２０の高さｈｃに等しい構成となっている点が異なっている。また、伝送コイル１０Ｂの第２磁性体４０が、コイル２０の内周側の側面２５及び外周側の側面２６から、間隔ｄｓで側方に離間して配置されている点が異なっている。なお、間隔ｄｓは、厳密には、コイル導体２１の端部との間の距離であるが、コイル２０の高さｈｃ（厳密には、積層されたコイル導体２１の高さ）に比べて樹脂２２の厚さが十分に薄い場合には、コイル２０の側面との間の距離としても差し支えない。

以上説明したように、第２磁性体４０がコイル２０の側面から側方に離間して配置されることにより、端縁部分４４がコイル２０の他方の表面２４から離れるようにすることができるので、第１実施形態と同様に、交流抵抗の増加を抑制することができる。

以下では、図１４のグラフを用いて、第２磁性体４０とコイル２０の間隔ｄｓと交流抵抗Ｒａｃとの関係について説明する。横軸の間隔ｄｓは、コイル２０の高さｈｃに対する比ｄｓ／ｈｃで表され、縦軸の交流抵抗Ｒａｃは、コイル高さ比ｄｓ／ｈｃ＝０における交流抵抗Ｒｄｒに対する相対値Ｒａｃ／Ｒｄｒで表されている。

図１４からわかるように、ｄｓ／ｈｃ＞０として、第２磁性体４０をコイル２０から離して配置することにより、交流抵抗Ｒａｃを低くすることができる。特に、０．２５≦ｄｓ／ｈｃ≦０．５とすれば、交流抵抗Ｒａｃの低減効果を最も高めることができる。なお、ｄｓ＞ｈｃ＞２として、第２磁性体４０をコイル２０から離しすぎた場合には、交流抵抗Ｒａｃの低減効果を得られなくなる。これは、第２磁性体４０による磁束の誘導効果を得ることができなくなり、第２磁性体４０が無い構成（図４参照）と同様となるからである。

なお、上述した伝送コイル１０Ｂは、第２磁性体４０の高さｈｍがコイル２０の高さｈｃに等しい構成を例に示したが、第１実施形態と同様に、第２磁性体４０の高さｈｍをコイル２０の高さｈｃよりも高くした構成としてもよい。この構成の場合には、第２磁性体４０の高さｈｍをコイル２０の高さｈｃよりも高くすることによる交流抵抗Ｒａｃの低減効果に加えて、第２磁性体４０をコイル２０から離して配置することによる交流抵抗Ｒａｃの低減効果を得ることができる。

また、第１実施形態で説明した第２磁性体４０の高さｈｍに関する限定や、第２磁性体４０の比透磁率μｒに関する限定は、伝送コイル１０Ｂにおいても同様に適用可能である。

Ｃ．第３実施形態：
図１５に示す第３実施形態の伝送コイル１０Ｃは、第１実施形態の伝送コイル１０（図３参照）のコイル２０に換えて、コイル導体２１が渦巻状に巻回されたコイル２０Ｃが用いられ、各コイル導体２１の内周と外周の側面に第２磁性体４０が配置されている点が異なっている。

伝送コイル１０Ｃにおいても、コイル導体２１の両端部を通過する磁束を第２磁性体４０に誘導するとともに、磁束が集中する端縁部分４４を各コイル導体２１の表面、すなわち、コイル２０Ｃの他方の表面２４から離すことにより、第１実施形態と同様に交流抵抗の増加を抑制することができる。但し、伝送コイル１０Ｃの場合は、各コイル導体２１の側面に第２磁性体を配置することが求められる。従って、第１実施形態の伝送コイル１０のように、ヘリカル状に巻回されたコイル２０を用いる構成の方が、コイルの内周及び外周の側面に配置する第２磁性体の数を低減できる点で有利である。

Ｄ．伝送コイルの適用形態：
上記各実施形態で説明した伝送コイルは、非接触給電用の送電コイルあるいは受電コイルとして利用可能である。例えば、図１６に示すように、車両に搭載された受電装置２００に対して、車両走行路ＲＳに設置された給電装置１００から非接触で給電を行なう車両用非接触給電システムにおいて、給電装置１００の送電コイル１１０に適用可能である。

給電装置１００では、電源回路１３０から供給される直流電力が送電回路１２０によって交流電力に変換され、変換された交流電力は送電コイル１１０に供給される。車両に搭載された受電装置２００では、送電コイル１１０を含む送電共振回路と、受電コイル２１０を含む受電共振回路との間の磁界結合によって、受電コイル２１０に誘導された交流電力が、受電回路２２０によって直流電力に変換されて、バッテリ２３０に充電される。これにより、給電装置１００から受電装置２００に対して非接触での給電が実行される。

なお、図１６では、送電コイル１１０に第１実施形態の伝送コイル１０を適用した例が示されている。送電コイル１１０は、車両走行路ＲＳのアスファルト等で舗装された表層ＡＬの下側の層ＰＬで、樹脂等に覆われて設置されている。

なお、以上の説明では、給電装置１００の送電コイル１１０に第１実施形態の伝送コイル１０を適用した構成を例に説明したが、他の実施形態の伝送コイルを送電コイル１１０に適用してもよい。また、受電コイル２１０に上記実施形態の伝送コイルを適用することも可能である。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０，１０Ｂ，１０Ｃ…伝送コイル、２０，２０Ｃ…コイル、２１…コイル導体、２２…樹脂、２３，２４…表面、２５，２６…側面、３０…第１磁性体、４０…第２磁性体、４４…端縁部分（磁性体部分）

Claims (4)

1. 非接触給電に用いられる伝送コイル（１０，１０Ｂ，１０Ｃ）であって、
   巻回されたコイル導体（２１）で構成され、磁束と交わる一方の表面（２３）と前記一方の表面と反対向きの他方の表面（２４）とを有するコイル（２０，２０Ｃ）と、
   前記一方の表面（２３）に配置された第１磁性体（３０）と、
   前記第１磁性体の前記一方の表面（２３）に配置された前記コイルの内周の側面（２５）に沿って配置された内側磁性体（４０ｉ）及び外周の側面（２６）に沿って配置された外側磁性体（４０ｏ）を含み、前記第１磁性体とともに前記コイルから発生する磁束を誘導する第２磁性体（４０）と、備え、
   前記第２磁性体の高さが前記コイルの高さの１．７５倍以上３倍以下に設定されることにより、前記第２磁性体の端縁部分（４４）が前記コイルの前記他方の表面（２４）から離れるように構成される、伝送コイル。
2. 非接触給電に用いられる伝送コイル（１０，１０Ｂ，１０Ｃ）であって、
   巻回されたコイル導体（２１）で構成され、磁束と交わる一方の表面（２３）と前記一方の表面と反対向きの他方の表面（２４）とを有するコイル（２０，２０Ｃ）と、
   前記一方の表面（２３）に配置された第１磁性体（３０）と、
   前記第１磁性体の前記一方の表面（２３）に配置された前記コイルの内周の側面（２５）に沿って配置された内側磁性体（４０ｉ）及び外周の側面（２６）に沿って配置された外側磁性体（４０ｏ）を含み、前記第１磁性体とともに前記コイルから発生する磁束を誘導する第２磁性体（４０）と、を備え、
   前記第２磁性体の高さは、前記コイルの高さと同じであり、
   前記第２磁性体が前記コイルの側面から側方に前記コイルの高さの０．２５倍以上２倍以下に設定された間隔をおいて離間して配置されることにより、前記第２磁性体の端縁部分（４４）が前記コイルの前記他方の表面（２４）から離れるように構成される、伝送コイル。
3. 請求項１または請求項２に記載の伝送コイルであって、
   前記第２磁性体は１０以上２００以下の比透磁率の磁性体である、伝送コイル。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の伝送コイルであって、
   前記コイルは前記コイル導体がヘリカル状に積層された構造を有するコイルである、伝送コイル。

Images