JPWO2018138909A1 - 非接触給電用コイルユニット - Google Patents

Abstract

非接触で電力を送電或いは受電する非接触給電用コイルユニット（１００）であって、中空部を有し上下方向をコイル軸としたコイル（１５）と、コイル（１５）の中空部に対応する位置に開口部（１１ａ）を有する第１磁性体（１１）と、コイル（１５）の中空部であって、第１磁性体（１１）の一方の面側に配置する平板状の第２磁性体（１２）と、第１磁性体（１１）と第２磁性体（１２）との間に配置した絶縁板（１４）を備える。磁性体の面剛性を高め、且つ、磁性体の接触面での絶縁破壊の可能性を抑制することが可能となる。

Description

本発明は、車両に搭載するバッテリを非接触で充電する際に使用する非接触給電用コイルユニットに関する。

車両に搭載される非接触給電用コイルユニットは、薄型化を図るために、中央に空間を有する断面凸型形状とし、この空間にコンデンサを配置する構成とすることが望まれる。このような非接触給電用コイルの従来例として、特許文献１に開示されたものが知られている。該特許文献１は、携帯電話機の非接触給電に関するものであり、コイルに用いられるフェライト（磁性体）は、断面が凸型形状とされており、中央の凸部の周囲に電線を巻回してコイルを形成している。しかし、車両の非接触給電用コイルに用いるフェライトは、携帯電話機よりも大型であるので、フェライトの断面を凸形状とすると面剛性が脆弱となる可能性が有る。

また、特許文献２には、複数の面形状のフェライトを面接触させて重畳配置することにより、重畳された複数のフェライト全体として断面凸形状を形成することが開示されている。しかし、フェライトどうしを面接触させると、接触する面の一部に隙間が生じた場合に当該隙間が絶縁破壊する可能性が有る。

特開２００８−２９４３８５号公報 特開２０１５−１０６９３９号公報

上述したように、車両に搭載する非接触給電用コイルに用いる磁性体（フェライト）を凸型形状とすると、外部応力により破損するという問題が有る。また、複数のフェライトを面接触させて凸型形状とすると、フェライトどうしが接触する面にて絶縁破壊する可能性があるという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、フェライトの面剛性を高め、且つ、フェライトの接触面での絶縁破壊の可能性を抑制することができる非接触給電用コイルユニットを提供することにある。

本発明の一態様は、中空部を有し上下方向をコイル軸としたコイルと、コイルの中空部に対応する位置に開口部を有する第１磁性体と、コイルの中空部に設けられる平板状の第２磁性体と、第１磁性体と前記第２磁性体との間に配置した絶縁板とを備える。

本発明の一態様によれば、フェライトの面剛性を高め、且つ、フェライトの接触面での絶縁破壊の可能性を抑制することが可能となる。

図１Ａは、本発明の第１実施形態に係るコイルユニットの構成を示す平面図である。 図１Ｂは、第１実施形態に係るコイルユニットの側面の断面図である。 図２Ａは、第１フェライトと第２フェライトの重複部分を示す説明図である。 図２Ｂは、第１フェライトと第２フェライトの重複部分に生じる磁束を示す説明図であり、重複幅が第１フェライトの板厚以上である場合を示す。 図２Ｃは、第１フェライトと第２フェライトの重複部分に生じる磁束を示す説明図であり、重複幅が第１フェライトの板厚未満である場合を示す。 図３は、絶縁板に印加される電圧を示す説明図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係るコイルユニットの、第１フェライトと第２フェライトとの重複部を示す説明図である。 図５は、本発明の第３実施形態に係るコイルユニットの、第１フェライトと第２フェライトとの重複部を示す説明図である。 図６は、本発明の第４実施形態に係るコイルユニットの、第１フェライトと第２フェライトとの重複部を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［第１実施形態の説明］
図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る非接触給電用コイルユニット（以下、「コイルユニット」と略す）の底面図、図１Ｂは、側面の断面図である。即ち、図１Ｂの矢印「Ａ」方向の図が、図１Ａである。該コイルユニットは、車両の底面に設置されて、地上側より送電される電力を受電する受電側のコイルユニットを示している。

図１Ａ、図１Ｂに示すように、コイルユニット１０１は、平板状を成し車両の底部に固定されるアルミニウム製のベースプレート１３を備える。更に、該ベースプレート１３の下面側には平板状の第１フェライト１１（第１磁性体）が配置され、更にその下面側（一方の面側）には平板状の第２フェライト１２（第２磁性体）が配置されている。

第１フェライト１１は、中央に矩形状の開口部１１ａが形成され、この開口部１１ａに対応する位置に第２フェライト１２が設けられている。

第１フェライト１１と第２フェライト１２との間には、プラスチックや樹脂等の絶縁性材料で形成された平板状の絶縁板１４が設けられている。更に、第１フェライト１１の下面側の周囲部には、リッツ線（電線）を渦巻き状に巻回したコイル１５が設けられている。即ち、コイル１５は、上下方向をコイル軸としており、中央に中空部を有している。この中空部に対応する位置に第２フェライト１２が設けられている。コイル１５は、コンデンサ（図示省略）と接続されて、受電用の共振回路を形成する。

ベースプレート１３、第１フェライト１１、絶縁板１４、及び第２フェライト１２を配置し、更に、コイル１５を配置した状態で、周囲に樹脂をモールドして全体を固定してコイルユニット１０１を形成する。このコイルユニット１０１を地上側に設けられた送電用コイル（図示省略）と対向させ、送電用コイルを励磁させることにより、該送電用コイルより出力される磁束がコイルユニット１０１のコイルと鎖交する。その結果、非接触で電力を受電することが可能となる。

［第１フェライト１１と第２フェライト１２の位置関係について］
次に、第１フェライト１１と第２フェライト１２の位置関係について説明する。第２フェライト１２は、第１フェライト１１の中央に形成された開口部１１ａよりも若干大きく形成されている。従って、第２フェライト１２に形成された開口部１１ａの中心に、第２フェライト１２の中心を合わせて配置すると、第２フェライト１２の周辺部と開口部１１ａの周囲部が重複する。即ち、図１Ｂの符号Ｐ１に示すように、一部が重複する。

本実施形態では、図２Ａに示すように、第１フェライト１１の板厚をＴFeとし、第１フェライト１１と第２フェライト１２との重複幅をＹOLとしたとき、重複幅ＹOLが板厚ＴFe以上となるように設定している。即ち、「ＹOL≧ＴFe」としている。こうすることにより、図２Ｂに示すように、第１フェライト１１と第２フェライト１２との重複部において、板厚ＴFeを有する第１フェライト１１と同等の磁路が確保されて磁束が通過する。第１フェライト１１での磁束密度と、重複部での磁束密度を同程度にすることができる。このため、磁束の集中による発熱を防止できる。

一方、「ＹOL≧ＴFe」としない場合には、図２Ｃに示すように重複部Ｐ１の磁束密度が増加するので発熱し、損失が大きくなる。本実施形態では上記したように「ＹOL≧ＴFe」とすることにより、このような問題を回避している。

［重複幅、絶縁板１４の板厚、及び第１フェライト１１の板厚との関係について］
次に、図２Ａに示す重複幅ＹOL、絶縁板１４の板厚（これを、「Ｔb」とする）、及び第１フェライト１１の板厚ＴFeとの関係について説明する。絶縁板１４は、第１フェライト１１と第２フェライト１２との間に印加される電圧が大きくなると、絶縁破壊を引き起こしコロナ放電を発生する可能性が有る。コロナ放電の発生を防止できる最小板厚Ｔb0は、印加電圧ＶLmaxとコロナ放電の閾値α（ｋＶ／ｍｍ）を用いて、以下の（１）式で示すことができる。
Ｔb0＝ＶLmax／α …（１）
印加電圧ＶLmaxは、第１フェライト１１と第２フェライト１２との間に生じる最大電圧である。つまり、印加電圧ＶLmaxのときには、絶縁板１４の板厚Ｔbを（１）式で示される最小板厚Ｔb0以上に設定すれば、コロナ放電の発生を回避できる。

また、上述したように、「ＹOL≧ＴFe」が成立するので、最小の重複幅（これを、ＹOLminとする）は、第１フェライト１１の厚さＴFeと等しい。従って、（２）式が成立する。
ＹOLmin＝ＴFe …（２）
重複部の最小磁気抵抗をＲm_minとすると、この最小磁気抵抗Ｒm_minは、最小の重複幅ＹOLmin（＝ＴFe）のときの磁気抵抗であるから、（３）式が成立する。
Ｒm_min＝ｌ／（μ・Ｓ）＝Ｔb0／（μ・Ｘ・ＴFe） …（３）
但し、ｌは第１フェライト１１と第２フェライト１２との距離（即ち、絶縁板１４の板厚）、μは透磁率、Ｓは重複部の面積、Ｘは重複部の奥行の距離である。

任意の板厚Ｔbを有する絶縁板１４を使用したときの磁気抵抗Ｒmは、（４）式で示すことができる。
Ｒm＝Ｔb／（μ・Ｘ・ＹOL） …（４）
但し、ＹOLは重複幅である。

上記の（３）、（４）式より、任意の板厚Ｔbを有する絶縁板１４で、最小磁気抵抗以下にするためには、重複幅ＹOLを（５）式が成立するように設定すればよい。
ＹOL≧（Ｔb／Ｔb0）・ＴFe …（５）
即ち、第１フェライト１１と第２フェライト１２との重複幅ＹOLは、第１フェライト１１の板厚ＴFe、及び絶縁板１４の板厚Ｔbにより決定される。

また、上記の最大電圧ＶLmaxは、コイルに印加される電圧とすることができる。例えば、図３に示すように、コイルに印加される電圧が１．５ｋＶである場合には、この電圧を最大電圧ＶLmaxに設定する。例えば、コロナ放電の閾値αを３（ｋＶ／ｍｍ）とすると、絶縁板１４の最小厚さＴb0は（１）式より、Ｔb0＝０．５ｍｍとなる。従って、上記（５）式にてＴb0＝０．５とし、且つ、Ｔb、ＴFeにそれぞれ絶縁板１４、及び第１フェライト１１の実際の板厚を代入することにより、重複幅ＹOLを演算することができる。

次に、本実施形態に係るコイルユニット１０１の作用について説明する。上述のように構成したコイルユニット１０１は、地上側に設置される送電側のコイルユニットと対向し、送電側のコイルユニットより発生する磁束がコイルユニット１０１に鎖交する。この際、磁束は重複部を通過する。重複幅ＹOLは、第１フェライト１１の板厚ＴFe以上とされているので、重複部にて磁束密度が増加することを回避でき、発熱を防止できる。更に、第１フェライト１１と第２フェライト１２は、絶縁板１４を介して配置されており、直接的には接していない。従って、電界の集中による発熱を防止できる。

更に、絶縁板１４の板厚Ｔbは、上記（５）式が成立するように設定しているので、絶縁板１４が絶縁破壊してコロナ放電が発生することを防止できる。

このようにして、第１実施形態に係るコイルユニット１０１では、第１フェライト１１の一方の面側の開口部１１ａに対応する位置に第２フェライト１２を設け、更に、第１フェライト１１と第２フェライト１２との間に樹脂等の絶縁材料で形成される絶縁板１４を設けている。従って、第１フェライト１１と第２フェライト１２が直接的に接することを回避できるので、第１フェライト１１と第２フェライト１２の接触面での絶縁破壊の可能性を抑制することができる。また、従来のように、フェライト全体を一体型の構造としていないので、フェライトの面剛性を高めることができる。

また、第２フェライト１２の一部が第１フェライト１１の一部と重複して配置されるので、この重複部分に磁束を通すことができ、電力の送電、受電の効率を向上させることができる。

更に、第１フェライト１１と第２フェライト１２との重複幅ＹOLは、第１フェライト１１の板厚ＴFe以上に設定されているので、第１フェライト１１を通過する磁束密度と重複部を通過する磁束密度をほぼ同程度にすることができ、発熱が発生して給電効率が低下するという問題を回避できる。

また、上述した（５）式に示したように、絶縁板１４の板厚Ｔbが厚いほど、第１フェライト１１と第２フェライト１２との重複幅ＹOLが大きくなるように設定されるので、より効率良く磁束を通過させることができる。

なお、上記した実施形態では、車両の底面に搭載する受電用のコイルユニットを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、地上側に設ける送電用のコイルユニットに採用することも可能である。この場合には、第１実施形態で示したコイルユニットに対して上下が反対となる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係るコイルユニット１０２の一部の断面図である。第２実施形態では、第２フェライト１２の周囲に巻回するコイル１５を構成するリッツ線を、被覆２２が設けられたリッツ線としている。そして、第２フェライト１２よりも外側となる第１フェライト１１の上には、絶縁板１４を設けない。即ち、図４に示すように、絶縁板１４は、第２フェライト１２の上面にのみ配置されている。

このような構成によれば、コイル１５を巻回する領域に絶縁板１４を配置しなくても、コイル１５が絶縁されるので、前述した第１実施形態と同様の効果を達成することができる。更に、被覆されたリッツ線を用いてコイル１５を形成する場合に有利である。

［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態に係るコイルユニット１０３の一部の断面図である。第３実施形態では、第１フェライト１１の中空部に対応する位置に、絶縁板１４を設けていない点で前述した第１実施形態と相違する。即ち、第１フェライト１１と第２フェライト１２が重複する領域、及び第１フェライト１１上のコイル１５が巻回される領域にのみ絶縁板１４を設けており、開口部１１ａには絶縁板１４を設けていない。このような構成とすることにより、絶縁板１４の設置領域を削減でき、使用する材料の量を低減することができる。

［第４実施形態の説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図６は、第４実施形態に係るコイルユニット１０４の断面図である。第４実施形態では、第１フェライト１１のコイル１５を巻回する領域の絶縁板１４ａに、断面が円弧形状をなす溝２１を形成している。即ち、第１磁性体（第１フェライト１１）の表面に配置される絶縁板１４には、コイル１５巻回用の溝２１が形成されている。そして、コイル１５を配置する場合には、コイル１５がこの溝２１内に納まるように配置する。即ち、絶縁板１４にコイル巻回用の溝２１を形成してコイル１５を固定するためのボビンとして使用している。

こうすることにより、前述した第１実施形態と同様の効果を達成できる。更に、絶縁板１４をボビンと兼用できるので、第１フェライト１１の表面にコイル１５を巻回する処理を容易に行うことができる。

更に、第２フェライト１２の周囲に巻回するコイル１５を構成するリッツ線を、被覆２２が設けられたリッツ線とし、更に、第１フェライト１１の表面に溝を形成し、コイル１５を溝内に納まるように配置してもよい。このような構成においても、第１フェライト１１をボビンと兼用できるので、第１フェライト１１の表面にコイル１５を巻回する処理を容易に行うことができる。

以上、本発明の非接触給電用コイルユニットを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

１１ 第１フェライト（第１磁性体）
１１ａ 開口部
１２ 第２フェライト（第２磁性体）
１３ ベースプレート
１４ 絶縁板
１５ コイル
２１ 溝
２２ 被覆
１０１、１０２、１０３、１０４ コイルユニット

図１Ａは、本発明の第１実施形態に係るコイルユニットの底面図である。 図１Ｂは、第１実施形態に係るコイルユニットの側面の断面図である。 図２Ａは、第１フェライトと第２フェライトの重複部分を示す説明図である。 図２Ｂは、第１フェライトと第２フェライトの重複部分に生じる磁束を示す説明図であり、重複幅が第１フェライトの板厚以上である場合を示す。 図２Ｃは、第１フェライトと第２フェライトの重複部分に生じる磁束を示す説明図であり、重複幅が第１フェライトの板厚未満である場合を示す。 図３は、絶縁板に印加される電圧を示す説明図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係るコイルユニットの、第１フェライトと第２フェライトとの重複部を示す説明図である。 図５は、本発明の第３実施形態に係るコイルユニットの、第１フェライトと第２フェライトとの重複部を示す説明図である。 図６は、本発明の第４実施形態に係るコイルユニットの、第１フェライトと第２フェライトとの重複部を示す説明図である。

［第１フェライト１１と第２フェライト１２の位置関係について］
次に、第１フェライト１１と第２フェライト１２の位置関係について説明する。第２フェライト１２は、第１フェライト１１の中央に形成された開口部１１ａよりも若干大きく形成されている。従って、第１フェライト１１に形成された開口部１１ａの中心に、第２フェライト１２の中心を合わせて配置すると、第２フェライト１２の周辺部と開口部１１ａの周囲部が重複する。即ち、図１Ｂの符号Ｐ１に示すように、一部が重複する。

［第４実施形態の説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図６は、第４実施形態に係るコイルユニット１０４の断面図である。第４実施形態では、第１フェライト１１のコイル１５を巻回する領域の絶縁板１４ａに、断面が円弧形状をなす溝２１を形成している。即ち、第１磁性体（第１フェライト１１）の表面に配置される絶縁板１４ａには、コイル１５巻回用の溝２１が形成されている。そして、コイル１５を配置する場合には、コイル１５がこの溝２１内に納まるように配置する。即ち、絶縁板１４ａにコイル巻回用の溝２１を形成してコイル１５を固定するためのボビンとして使用している。

こうすることにより、前述した第１実施形態と同様の効果を達成できる。更に、絶縁板１４ａをボビンと兼用できるので、第１フェライト１１の表面にコイル１５を巻回する処理を容易に行うことができる。

Claims (5)

1. 非接触で電力を送電或いは受電する非接触給電用コイルユニットであって、
   中空部を有し上下方向をコイル軸としたコイルと、
   前記コイルの中空部に対応する位置に開口部を有する第１磁性体と、
   前記コイルの中空部であって、前記第１磁性体の一方の面側に配置する平板状の第２磁性体と、
   前記第１磁性体と前記第２磁性体との間に配置した絶縁板と、
   を備えたことを特徴とする非接触給電用コイルユニット。
2. 前記第２磁性体の一部は、前記第１磁性体の一部と重複していること
   を特徴とする請求項１に記載の非接触給電用コイルユニット。
3. 前記第１磁性体と第２磁性体との重複幅は、前記第１磁性体の板厚以上であること
   を特徴とする請求項２に記載の非接触給電用コイルユニット。
4. 前記第１磁性体と第２磁性体との重複幅は、前記絶縁板の板厚が厚いほど大きくすること
   を特徴とする請求項２または３に記載の非接触給電用コイルユニット。
5. 前記第１磁性体の表面、或いは、前記第１磁性体の表面に配置される絶縁板には、コイル巻回用の溝が形成されていること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触給電用コイルユニット。

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