JPWO2013176151A1 - 非接触給電トランス - Google Patents

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Abstract

コイル本体が、並行する一対の磁極部を構成する磁極コア部材（１４１、１４２）と、磁極コア部材（１４１、１４２）と直交して、並行する一対の磁極コア部材（１４１、１４２）の一部分を接続する巻線コア部材と、巻線コア部材に巻回された電線１５０とを備える。コイル本体が、磁気シールド機能及び放熱機能を備えた固定板１６０に固定された非接触給電トランスであり、巻線コア部材の磁極コア部材（１４１、１４２）に対する接続位置が、磁極コア部材（１４１、１４２）の長手方向の中心から一方に偏り、この接続位置までの距離が長い方の端部を含む一対の磁極コア部材（１４１、１４２）に挟まれたスペースを、電線１５０に電気接続する部品の配置スペース７０として利用する。非接触給電トランスに、コイル本体と、それに電気接続する部品とが収容されるため、設置時の配線作業の負担が軽減する。

Description

本発明は、電気自動車などに非接触で給電する非接触給電システムの給電トランス及び給電トランスに接続される電気部品に関し、車両などへのトランスの設置を容易にしたものに関する。
電気自動車やプラグインハイブリット車のバッテリーを充電するシステムの一例として、図８に示すように、車両の床面に非接触給電システムの給電トランス３０の二次側トランス（受電トランス）３３を設置し、地上側に設置された一次側トランス（送電トランス）３１から電磁誘導を利用して非接触で給電する方式が開発されている。
充電を受けるプラグインハイブリット車は、エンジン５４とともにモータ５３を駆動源として有し、モータ用の電源である二次電池５１と、二次電池５１の直流を交流に変換してモータに供給するインバータ５２とを備えている。
二次電池５１への給電を行う非接触給電システムは、地上側が、商用電源の交流を直流に変換するとともに、その電圧を可変する可変電圧整流器１０と、直流から高周波交流を生成するインバータ２０と、非接触給電トランス３０の一方である送電トランス３１と、送電トランス３１に直列接続された一次側直列コンデンサ３２とを備えている。
一方、車両側は、非接触給電トランス３０の他方である受電トランス３３と、二次電池のために交流を直流に変換する整流器３５と、受電トランス３３と整流器３５との間に並列接続された二次側並列共振コンデンサ３４とを備えている。
図９は、この非接触給電システムの回路図の一例を示している。
このシステムでは、車両の停車位置がずれて送電トランス３１と受電トランス３３とが正対しなかったり、送電トランス３１と受電トランス３３とのギャップ（間隔）が変動したりした場合でも、給電効率が大幅に低下しないことが求められる。
下記特許文献１には、位置ずれやギャップ変動の許容量が大きく、且つ、小型に構成できる非接触給電トランスが開示されている。この非接触給電トランスは、図１０Ａ〜図１０Ｆに示すように、フェライトコア４０をＨ字形に構成し、Ｈ字の両側の平行する部分を磁極部４１、４２とし、Ｈ字の横棒に相当する部分、すなわち巻線コア部材４３（磁極部間を繋ぐ部分）に電線５０が巻回される。なお、図１０Ａは、フェライトコア４０に電線５０が巻回された状態であり、図１０Ｄは、フェライトコア４０に電線５０が巻回されていない状態である。また、図１０Ｂは、図１０ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図１０Ｃは、図１０ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。同様に、図１０Ｅは、図１０ＤのＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図１０Ｆは、図１０ＤのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
このＨ字形コアを用いた非接触給電トランスでは、標準ギャップ長７０ｍｍの間隔で対向する送電トランス及び受電トランスにより３ｋＷの給電を行った場合、トランスの効率が９５％、左右方向（図１０Ａのｙ方向）の位置ずれ許容量が±１５０ｍｍ、前後方向（図１０Ａのｘ方向）の位置ずれ許容量が±６０ｍｍ、また、標準ギャップ長を１００ｍｍに拡大したときの効率が９２％、という実用性を満たす特性が得られている。
また、Ｈ字形コアを用いる非接触給電トランスでは、急速充電を可能にする１０ｋＷ以上の大容量のものも試作されている。
特開２０１１−５０１２７号公報
図１１は、本発明の発明者等が車両実装用あるいは地上設置用の製品として試作した、Ｈ字形コアを備える非接触給電トランスの一例を示している。
この製品では、磁極部４１、４２の間を繋ぐ被巻線部（この図では電線５０が巻かれていて見えない）に電線５０を巻回してコイル本体が形成され、このコイル本体が筐体のベース板である固定板６０に固定されている。固定板６０は、車両実装用の製品では、車両の床の外側に取り付けられる。なお、実際の製品では、コイル本体を固定した固定板６０の前面（相手トランスとの対向面）が樹脂カバーによって覆われるが、図１１では、樹脂カバーを省略している。
この固定板６０は、アルミ板から成り、コイル本体の漏洩磁束を磁気シールドする機能と、通電時にコイル本体から発生する熱を放熱する機能とを有している。固定板６０には、磁極部４１と磁極部４２との中間位置に、電線５０の端部を導入・導出するための導出入孔６１が形成されている。この位置に導出入孔６１を設けているのは、次のような理由による。
図１２は、Ｈ字形コアを有するコイル本体から発生する漏洩磁束の分布を示している。漏洩磁束は、フェアライトコア４０の周囲に示すハッチングで表している。磁極部４１と磁極部４２との中間位置では、電線５０から離れると漏洩磁束の分布密度が低くなり、磁極部４１と磁極部４２との中央位置１００（線分１００−１００の位置）では最も低くなる。そのため、この位置の固定板６０に導出入孔６１を開けて電線を引き出しても、固定板６０の磁気シールド機能は損なわれない。
しかし、この非接触給電トランスでは、固定板６０の導出入孔６１から引き出された電線５０に対して、車両実装用の製品の場合、図８で示したように二次側並列共振コンデンサ３４や整流器３５を電気接続しなければならない。また、地上設置用の製品の場合、一次側直列コンデンサ３２を電気接続しなければならない。そのため、トランス設置時の作業負担が増大し、また、配線スペースの確保が必要になる、という課題がある。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、設置に際して配線スペースの確保が不要であり、また、設置が容易である非接触給電トランスを提供することを目的としている。
本発明の非接触給電トランスは、コイル本体が、並行する一対の磁極部を構成する磁極コア部材と、磁極コア部材と直交して、並行する一対の磁極コア部材の一部分を接続する巻線コア部材と、巻線コア部材に巻回された電線とを備える。このコイル本体が、磁気シールド機能及び放熱機能を備えた固定板に固定され、巻線コア部材の磁極コア部材に対する接続位置が、磁極コア部材の長手方向の中心から一方に偏っており、この接続位置までの距離が長い方の端部を含む一対の磁極コア部材に挟まれたスペースが、電線に電気接続する部品の配置スペースの少なくとも一部に利用されている。
この非接触給電トランスでは、Ｈ字形コアの巻線部の位置を片側にオフセットさせ、それにより空いたスペースを、電線に電気接続する部品の配置スペースとして利用している。
また、本発明の非接触給電トランスでは、配置スペースが、巻線コア部材に巻回された電線及び磁極コア部材から離れた領域に設定されてもよい。
つまり、部品が漏洩磁束により損失を受けないように、配置スペースは、コイル本体からの漏洩磁束が少ない領域に設定する。
また、本発明の非接触給電トランスでは、巻線コア部材に巻回された電線により一次側コイルを構成し、磁極コア部材間の配置スペースを利用して、一次側コイルと直列に接続するコンデンサを配置してもよい。
この場合、一次側コイルを有する送電トランスに、一次側コイルに直列接続するコンデンサを内蔵させることができる。
また、本発明の非接触給電トランスでは、巻線コア部材に巻回された電線により二次側コイルを構成し、磁極コア部材間の配置スペースを利用して、二次側コイルと並列に接続するコンデンサを配置してもよい。
この場合、二次側コイルを有する受電トランスに、二次側コイルに並列接続するコンデンサを内蔵させることができる。
また、本発明の非接触給電トランスでは、巻線コア部材に巻回された電線により二次側コイルを構成し、磁極コア部材間の配置スペースを利用して、二次側コイルと並列に接続するコンデンサと、このコンデンサに並列接続する整流器とを配置してもよい。
この場合、二次側コイルを有する受電トランスに、二次側コイルに並列接続するコンデンサ及び整流器を内蔵させることができる。
また、本発明の非接触給電トランスでは、整流器を固定板に直接取り付けるようにしてもよい。
この場合、筐体のベース板である固定板を整流器の冷却板として利用することができる。
本発明の非接触給電トランスには、コイル本体と、それに電気接続する部品とが磁極コア部材間の配置スペースを利用して収容されるため、それら部品の配線スペースの確保が不要になり、トランス設置時の配線作業の負担が軽減される。また、一次側直列コンデンサＣｓ及び二次側並列コンデンサＣｐは、（式１）、（式２）に示すようにトランス定数で決定されることからトランスの近傍に設置することが望ましい。なお、式１において、ω０＝２πｆであり、ｆは非接触給電トランスに印加される電源周波数である。ｘｐはインピーダンス、ｘ０’は非接触給電トランスの２次側換算励磁リアクタンス、ｘ２は、非接触給電トランスの２次側漏洩リアクタンスである。また、式２において、Ｃｓ’は２次側換算一次直列コンデンサ、ｘｓ’はインピーダンス、ｘ１’は非接触給電トランスの２次側換算一次漏洩リアクタンスである。更には、二次側給電トランスに並列コンデンサ及び整流器を内蔵化することは、車両側に多く搭載されている電子部品への電気雑音による影響を低減することができる。
Figure 2013176151
Figure 2013176151
図１は、実施形態に係る非接触給電トランスを示す図である。 図２は、実施形態に係る送電トランスの内部を示す図である。 図３は、実施形態に係る受電トランスの内部を示す図である。 図４は、実施形態に係る送電トランス及び受電トランスの外形を示す図である。 図５は、固定版に整流器を直接取り付けた形態を示す図である。 図６は、実施形態に係る非接触給電トランスのトランス定数の測定値を説明する図である。 図７は、実施形態に係る非接触給電トランスの位置ずれ特性を表すグラフを示す図である。 図８は、車両への非接触給電システムの一例を示す図である。 図９は、図８の非接触給電システムの回路図の一例を示す図である。 図１０Ａは、Ｈ字形コアを有するコイル本体の説明図であり、コイルが巻かれた状態を示す図である。 図１０Ｂは、図１０ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１０Ｃは、図１０ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図１０Ｄは、Ｈ字形コアを有するコイル本体の説明図であり、コイルが巻かれていない状態を示す図である。 図１０Ｅは、図１０ＤのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１０Ｆは、図１０ＤのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図１１は、Ｈ字形コアを備えた非接触給電トランスの一例を示す図である。 図１２は、Ｈ字形コアを有するコイル本体の漏洩磁束分布の一例を示す図である。
以下に、本発明にかかる非接触給電トランスの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電トランスを示している。
コイル本体は、並行する一対の磁極部を構成する磁極コア部材１４１、１４２と、磁極コア部材１４１、１４２に直交する巻線コア部材（この図では電線１５０が巻回されているために見えない）と、巻線コア部材に巻回された電線１５０とで構成されている。その点では、図１１のＨ字形コアを持つコイル本体と同じであるが、本実施例の非接触給電トランスでは、巻線コア部材の磁極コア部材１４１、１４２に対する接続位置が、磁極コア部材１４１、１４２の長手方向の中心から一方に偏っており、コア形状が“Ｃ字形”である点で、図１１のコイル本体と違っている。
このコイル本体は、筐体のベース板であるアルミ板から成る固定板１６０に固定されている。
この非接触給電トランスでは、電線１５０及び巻線コア部材を磁極コア部材１４１、１４２の長手方向の片方向に寄せたことで生じたスペースを利用しており、このスペースの内で、電線１５０及び磁極コア部材１４１、１４２から離れた領域を、電線１５０に電気接続する部品の配置スペース７０として用いている。
送電トランスでは、この配置スペース７０に、一次側コイルと直列接続する一次側直列コンデンサ３２（図８参照）を配置している。
また、受信トランスでは、この配置スペース７０に、二次側コイルと並列接続する二次側並列共振コンデンサ３４（図８参照）を配置している。また、受信トランスでは、さらに、二次側並列共振コンデンサ３４と並列に接続する整流器３５（図８参照）を配置することも可能である。
図２は、配置スペース７０に実装プリント基板を取り付けて一次側直列コンデンサ３２を配置した送電トランス１３１を示している。
また、図３は、配置スペース７０に実装プリント基板を取り付けて一次側直列コンデンサ３２及び整流器３５を配置した受電トランス１３３を示している。
また、図４は、固定板１６０に筐体の樹脂カバー１６２を固定した送電トランス１３１及び受電トランス１３３の外観を示している。
図２、図３に示すように、部品の配置スペース７０は、一対の磁極コア部材１４１、１４２に挟まれたスペースから更に外側に拡張してもよい。
一対の磁極コア部材１４１、１４２の間のスペースでは、図１２から明らかなように、コイル本体から発生する漏洩磁束の分布が、電線１５０や磁極コア部材１４１、１４２から離れる程、少なくなる。漏洩磁束の少ない領域に一次側直列コンデンサ３２や整流器３５を配置することにより、これらの部品に対する漏洩磁束の影響を除くことができる。
なお、整流器３５は、図５に示すように、固定板１６０に直接取り付けて、固定板１６０を整流器３５の冷却板として利用してもよい。
このように、非接触給電トランスに一次側直列コンデンサ３２や整流器３５を内蔵させても、トランス定数や給電効率に大きな変化は見られない。
それを確かめるため、非接触給電トランスに「内蔵部品が無い状態」、「部品未実装のプリント基板（ＰＣＢ）を設置した状態」及び「部品実装のプリント基板を設置した状態」の３状態を設定し、各状態でのトランス特性を測定して、それらを比較した。
図６は、「内蔵部品が無い状態」のトランス定数で正規化した「部品未実装のプリント基板を設置した状態」及び「部品実装のプリント基板を設置した状態」のトランス定数野測定値を示している。いずれの場合も、トランス定数及び理論最大効率の変化は小さく、部品内蔵による影響は殆ど無いことが分かる。
また、この非接触給電トランスでは、電線１５０及び巻線コア部材を磁極コア部材１４１、１４２の長手方向（図１のｙ方向）の片方向に寄せているため、送電トランス１３１と受電トランス１３３とがｙ方向にずれたときに、位置ずれ特性が非対称になることが懸念される。しかし、測定結果から、ｙ方向の位置ずれ特性は、対称であることが明らかになった。
図７は、送電トランスと受電トランスとがｙ方向にずれたときの効率の変化を示している。ここでは、図９の回路におけるインバータ２０の入力端電力と整流器３５の出力端電力とを測定して効率を算出し、ｙ方向の位置ずれが無い状態での効率を基準値に採り、算出した効率を正規化している。
図７から、ｙ方向の位置ずれの対称性が確保されていることが明らかである。
本発明にかかる非接触給電トランスは、設置が容易であり、電気自動車やプラグインハイブリット車など、各種の移動体の非接触給電に広く利用することができる。
１０ 可変電圧整流器
２０ インバータ
３０ 非接触給電トランス
３１ 送電トランス
３２ 一次側直列コンデンサ
３３ 受電トランス
３４ 二次側並列共振コンデンサ
３５ 整流器
４０ フェライトコア
４１ 磁極部
４２ 磁極部
４３ 巻線コア部材
５０ 電線
５１ 二次電池
５２ インバータ
５３ モータ
５４ エンジン
６０ 固定板
６１ 導出入孔
７０ 配置スペース
１３１ 送電トランス
１３３ 受電トランス
１４１ 磁極コア部材
１４２ 磁極コア部材
１５０ 電線
１６０ 固定板
１６２ 樹脂カバー

Claims (6)

  1. コイル本体が、並行する一対の磁極部を構成する磁極コア部材と、
    前記磁極コア部材と直交して、並行する一対の前記磁極コア部材の一部分を接続する巻線コア部材と、
    前記巻線コア部材に巻回された電線とを備え、
    前記コイル本体が、磁気シールド機能及び放熱機能を備えた固定板に固定され、
    前記巻線コア部材の前記磁極コア部材に対する接続位置が、前記磁極コア部材の長手方向の中心から一方に偏っており、
    前記接続位置までの距離が長い方の端部を含む一対の前記磁極コア部材に挟まれたスペースが、前記電線に電気接続する部品の配置スペースの少なくとも一部に利用されている非接触給電トランス。
  2. 請求項１に記載の非接触給電トランスであって、
    前記配置スペースが、前記巻線コア部材に巻回された電線及び前記磁極コア部材から離れた領域に設定されている非接触給電トランス。
  3. 請求項２に記載の非接触給電トランスであって、
    前記巻線コア部材に巻回された電線が一次側コイルを構成し、前記部品が、前記一次側コイルと直列に接続されたコンデンサである非接触給電トランス。
  4. 請求項２に記載の非接触給電トランスであって、
    前記巻線コア部材に巻回された電線が二次側コイルを構成し、前記部品が、前記二次側コイルと並列に接続されたコンデンサである非接触給電トランス。
  5. 請求項２に記載の非接触給電トランスであって、
    前記巻線コア部材に巻回された電線が二次側コイルを構成し、前記部品が、前記二次側コイルと並列に接続されたコンデンサ、及び、前記コンデンサと並列に接続された整流器である非接触給電トランス。
  6. 請求項５に記載の非接触給電トランスであって、
    前記整流器が、前記固定板に直接取り付けられている非接触給電トランス。
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