KR101826495B1 - 비접촉 전력 전송용 코일 유닛 - Google Patents

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겐고 마이카와
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

비원형의 평형 코일과, 자성체제 코어 부재와, 해당 코어 부재보다 높은 열전도율을 갖는 열도체를 구비한 비접촉 전력 전송용 코일 유닛이다. 코일은 코일축 방향에서 볼 때 코너부와 비코너부를 갖고 있고, 코어 부재는 비코너부에, 열도체는 코너부에 각각 코일축 방향에 대향해서 배치되어 있다.

Description

비접촉 전력 전송용 코일 유닛
본 발명은 비접촉 전력 전송용 코일 유닛에 관한 것이다.
국제공개 WO2013/183665호는, 한 쌍의 자극부와, 이들 한 쌍의 자극부 사이에 설치된 자극간 코어부를 구비한 비접촉 급전 트랜스를 개시하고 있다. 자극간 코어부는, 페라이트 부재와 열도체를 교대로 배치해서 구성되어 있다. 자극간 코어부의 철손에 의해 발생한 열은, 열도체를 통해서 외부로 방열할 수 있다.
그러나, 상기 종래 기술에서는, 열도체가 알루미늄을 포함하기 때문에, 자극간 코어부 전체를 페라이트 부재로 구성한 경우와 비교해서, 코일과 쇄교하는 자속량이 감소하여, 코일의 전자기적 성능(인덕턴스, 결합 계수 등)이 저하될 우려가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 코일의 전자기적 성능의 저하를 억제하면서 방열성을 향상시키는 데 있다.
본 발명의 일 형태는, 비원형의 평형 코일과, 자성체제 코어 부재와, 해당 코어 부재보다 높은 열전도율을 갖는 열도체를 구비한 비접촉 전력 전송용 코일 유닛이다. 코일은 코일축 방향에서 볼 때 코너부와 비코너부를 갖고 있고, 코어 부재는 비코너부에, 열도체는 코너부에 각각 코일축 방향에 대향해서 배치되어 있다.
비접촉 수전 또는 급전 동작 중, 평형 코일의 코일축 방향 근방 영역 중 코너부에 대응하는 부분(이하, 코너부 근방 영역)에는, 비코너부에 대응하는 부분(이하, 비코너부 근방 영역)보다 자속 밀도가 낮은 영역이 발생하기 쉽다. 상기 코일 유닛에 따르면, 열도체를 코일의 코너부에 대향해서 배치하고 있으므로, 코어 부재를 통과하는 자속량에 대한 영향을 억제하면서 열도체를 코일에 근접시킬 수 있다. 그리고, 열도체는 코어 부재보다 높은 열전도율을 갖고 있으므로, 코일의 열을 효율적으로 외부로 유도할 수 있다. 이에 의해, 코일의 전자기적 성능의 저하를 억제하면서 코일 유닛의 방열성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 비접촉 급전용 코일 유닛의 구조를 도시하는 도면으로, (a)는 평면도, (b)는 측면도, (c)는 (a)의 A-A선을 따른 단면도이다.
도 2는 비접촉 급전 동작 중 코일의 코일축 방향 근방 영역에 있어서의 자속 밀도 분포를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 비접촉 급전용 코일 유닛의 구조를 도시하는 도면으로, (a)는 평면도, (b)는 측면도, (c)는 (a)의 B-B선을 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 비접촉 급전용 코일 유닛의 구조를 도시하는 도면으로, (a)는 평면도, (b)는 측면도이다.
도 5는 코일의 코너부 및 비코너부의 예를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.
<제1 실시 형태>
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 비접촉 급전용 코일 유닛(U1)은, 소정 위치에 정차한 전동 차량에 대하여 비접촉으로 전력을 공급하는 장치이다. 코일 유닛(U1)은 전원 유닛으로부터 고주파 전력을 공급받으면, 전동 차량에 탑재된 수전용 코일 유닛을 통해서, 차량 탑재 배터리 등에 급전한다.
도 1의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 코일 유닛(U1)은 연직 방향으로 대략 평행한 코일축(X)을 갖는 코일부(10)와, 코일부(10)를 지지하는 코어부(20)와, 코일부(10) 및 코어부(20)를 지면에 지지하는 지지부(30)로 구성된다. 코일 유닛(U1)은 지면에 설치된 유닛 커버(40)에 의해 전체가 덮여 있다.
코일부(10)는 코일축 방향으로 두께를 갖는 평형의 코일(11)을 구비하고 있다. 코일(11)은 전체로서 대략 평판 형상이며, 코일축(X)에 수직한 주면(11a)을 갖고 있다.
코일(11)의 권선(13)은, 코일축 방향에서 볼 때 직사각형 와권 형상으로 감긴 리츠선이며, 코일축 방향에서 볼 때 대략 직사각형의 환상 영역을 차지하고 있다. 코일(11)은 직사각형 환상 영역의 모서리에 대응하는 4개의 코너부(C)와, 직사각형 환상 영역의 변에 대응하는 4개의 비코너부(NC)를 갖는다.
코너부(C)는 각각, 최내주의 권선(13a) 중, 코일축 방향에서 볼 때 곡률이 극대로 되어 있는 부분(이하, 곡률 극대부)(13ar)과, 최내주의 권선(13a) 이외의 권선(13b 내지 13e) 중, 곡률 극대부(13ar)의 외측에서 일측 경계면(P1)과 타측 경계면(P2) 사이에 위치하는 부분으로 구성되어 있다. 여기서, 최내주의 권선(13a)의 곡률 극대부(13ar)는, 당해 권선(13a) 중, 당해 권선 일주에 걸치는 곡률의 평균값(이하, 곡률 평균값)보다 큰 곡률을 갖는 부분이다. 일측 경계면(P1)은 곡률 극대부(13ar)의 일단부를 통과하고, 또한 당해 일단부에 있어서의 권선(13a)의 연장 방향과 직교하는 가상 평면이며, 타측 경계면(P2)은 곡률 극대부(13ar)의 타단부를 통과하고, 또한 당해 타단부에 있어서의 권선(13a)의 연장 방향과 직교하는 가상 평면이다. 본 실시 형태의 코너부(C)에는, 최외주의 권선(13e)의 곡률 극대부(13er)도 포함되어 있다.
한편, 비코너부(NC)는 상기 코너부(C) 이외의 부분이다. 따라서, 비코너부(NC)를 구성하는 최내주의 권선(13a)의 곡률은, 이르는 곳마다 상기 곡률 평균값 이하이다. 본 실시 형태에서는, 비코너부(NC)는 인접하는 코너부(C)끼리의 사이에 끼인 대략 직선 형상의 부분이다.
코어부(20)는 도 1의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 코일부(10)의 하측(코일축 방향 일측)에 코일(11)의 주면(11a)에 대하여 대략 평행하게 설치되어 있다. 코어부(20)는 코일축 방향으로 두께를 갖는 대략 직사각형 평판 모양의 형상을 갖고 있고, 그 4변은 코일축 방향에서 볼 때 코일(11)의 비코너부(NC)의 연장 방향과 대략 평행하다.
코어부(20)는 페라이트 코어(21)(자성체제 코어 부재)와, 이를 수용하는 코어 케이스(23)를 구비하고 있다. 페라이트 코어(21)는 코일(11)의 주면(11a)에 평행한 자성체층을 형성하고 있다. 코어 케이스(23)의 상면에는, 코일(11)이 지지되어 있다.
코어 케이스(23)는 코일축 방향에서 볼 때 대략 직사각 형상의 외형을 갖는 수지제의 트레이(25)와, 트레이(25)의 상부 개구를 덮는 대략 직사각형 평판 형상의 수지제의 덮개(27)로 구성된다. 트레이(25)는 대략 직사각형 평판 형상의 저판(25a)과, 저판(25a)의 주연부에 세워 설치된 주벽부(25b)를 구비하고 있다. 덮개(27)의 주연부는, 비자성체제의 체결구 등에 의해 트레이(25)의 주벽부(25b)에 체결되어 있다. 덮개(27)의 상면에는, 코일(11)의 권선(13)이 접촉되어 있고, 트레이(25)와 덮개(27) 사이에는 페라이트 코어(21)를 수용하기 위한 수용 공간(S)이 형성되어 있다. 트레이(25)의 저판(25a)에는, 코일(11)의 코너부(C)에 대응하는 네 코너에 개구(25c)가 설치되어 있고, 각 개구(25c)에는 후술하는 지지 부재(31)의 상단부(31a)가 삽입되어 있다.
페라이트 코어(21)는 상기 수용 공간(S) 내에 깔린 복수의 페라이트 타일(29)(자성체제 코어 부재)로 구성되어 있다. 각 페라이트 타일(29)은 저면이 대략 정사각형의 직육면체 모양의 형상을 갖고 있다. 또한, 코일축 방향에서 볼 때 최내주의 권선(13a)보다 내측에 위치하는 페라이트 타일(29)은, 코일 유닛(U1)에 요구되는 용량 등에 따라서 적절히 씨닝해도 된다.
본 실시 형태에서는, 복수의 페라이트 타일(29)이, 적어도 코일(11)의 비코너부(NC)를 구성하는 어느 권선(13a 내지 13e)의 바로 아래에 위치(코일축 방향 투영에 있어서 당해 권선(13a 내지 13e)과 중복)하도록 배치되어 있다. 즉, 페라이트 코어(21)의 상면은, 코어 케이스(23)의 덮개(27)를 끼워서 코일(11)의 비코너부(NC)와 코일축 방향에 대향하는 위치에 있다.
지지부(30)는 도 1의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 코일부(10)보다 하방에 설치되어, 코일부(10) 및 코어부(20)를 지지하고 있다. 지지부(30)는 코어부(20)의 네 코너에 설치된 알루미늄제의 지지 부재(31)(열도체)와, 지지 부재(31)의 하단부에 열전달 가능하게 연결된 베이스 플레이트(33)를 포함한다. 베이스 플레이트(33)는, 예를 들어 알루미늄 등의 금속제이며, 앵커 볼트 등의 체결 부재에 의해 지면에 체결되어 있다.
지지 부재(31)는, 각각 각기둥 모양의 형상을 갖고 있고, 그 상단부(열도체의 입열부)(31a)는, 코어 케이스(23)의 트레이(25)의 개구(25c)에 삽입되어 있다. 이에 의해, 자성체층을 형성하는 페라이트 코어(21)와 지지 부재(31)의 상단부(31a)가, 상기 자성체층의 연장 방향으로 서로 근접해서 동일한 층 내에 배치되게 된다. 바꾸어 말하면, 코일(11)의 코너부(C)에 대응하는 위치의 페라이트 코어(21)가, 지지 부재(31)로 치환된다.
각 지지 부재(31)의 상단부(31a)는, 코어 케이스(23)의 덮개(27)를 끼워서 코일(11)의 코너부(C)와 코일축 방향에 대향하는 위치에 있다. 즉, 각 상단부(31a)가, 적어도 코일(11)의 코너부(C)를 구성하는 어느 권선(13a 내지 13e)의 바로 아래에 위치(코일축 방향 투영에 있어서 당해 권선(13a 내지 13e)과 중복)하도록 배치되어 있다. 특히 본 실시 형태에서는, 코일축 방향에서 볼 때, 지지 부재(31)의 상단부(31a)의 적어도 일부가, 코너부(C)를 구성하는 최외주의 권선(13e)과 중복되도록 배치되어 있다.
또한, 상단부(31a)의 상면은, 비코너부(NC)를 구성하는 권선(13a 내지 13e)의 바로 아래에 배치된 페라이트 타일(29)의 상면과 대략 면이 일치하고, 또한 코어 케이스(23)의 덮개(27)의 하면(내측면)과 접촉하고 있다. 또한, 상단부(31a)의 측면은, 코어 케이스(23) 내의 페라이트 타일(29)의 측면과 접촉하고 있다.
그리고, 지지 부재(31)와 코일(11)은, 코어 케이스(23)의 덮개(27)와 권선(13)의 접촉면, 덮개(27)와 지지 부재(31)의 상단부(31a)의 접촉면, 및 덮개(27)를 통해서 열전달 가능하다. 또한, 지지 부재(31)와 페라이트 코어(21)는, 지지 부재(31)의 상단부(31a)와 페라이트 타일(29)의 접촉면을 통해서 열전달 가능하다. 따라서, 코일부(10) 및 코어부(20)에서 발생한 열은, 지지 부재(31) 및 베이스 플레이트(33)를 통해서 외부(지면 등)로 방열된다. 지지 부재(31)는 알루미늄제이며, 페라이트 타일(29) 즉 페라이트 코어(21)보다 높은 열전도율을 갖기 때문에, 양호한 열도체로서 기능한다. 또한, 베이스 플레이트(33)의 하면은, 큰 면적으로 지면에 접해 있어, 양호한 방열면으로서 기능한다.
이하에, 본 실시 형태에 따른 작용 효과를 설명한다.
본 실시 형태에 따른 코일 유닛(U1)에, 비접촉 급전용 고주파 전력을 공급하면, 코일(11)의 주변 영역의 자속 밀도 분포에 치우침이 발생한다. 도 2는 코일(11)의 코일축 방향 근방 영역(코일(11)의 하면 레벨)에 있어서의 자속 밀도 분포와 대표적인 자력선의 이미지(화살표)를 나타내고 있다. 또한, 본 도면에서는, 색이 짙은 영역일수록 자속 밀도가 높은 것을 나타내고 있다. 도 2에 화살표로 나타낸 바와 같이, 코일(11)의 코너부(C)에 대응하는 영역에서는, 외측으로 향할수록(코일축(X)으로부터 이격될수록) 페라이트 코어(21)의 단위 체적당 자력선의 개수가 적어진다. 그 때문에, 코너부 근방 영역(CP)에는, 비코너부 근방 영역(NCP)보다 저자속 밀도 영역(예를 들어, 영역 LD)이 발생하기 쉽다. 또한, 비접촉 급전 동작 중은, 권선(13)이 그 저항손(구리손)에 의해 발열하기 때문에, 코일(11)의 온도가 상승한다.
본 실시 형태에 따른 코일 유닛(U1)에 따르면, 코일(11)의 코너부(C)에 대향해서 지지 부재(31)를 배치하고 있으므로, 페라이트 코어(21)를 통과하는 자속량에 대한 영향을 억제하면서 발열체인 권선(13)에 열도체인 지지 부재(31)를 근접시킬 수 있다. 그리고, 지지 부재(31)는 페라이트 코어(21)보다 높은 열전도율을 갖고 있으므로, 권선(13)의 열을 효율적으로 외부로 유도할 수 있다. 이에 의해, 코일(11)의 전자기적 성능의 저하를 억제하면서 코일 유닛(U1)의 방열성을 향상시킬 수 있다.
또한, 코일(11)의 주변 영역의 자속 밀도는, 도 2에 도시한 바와 같이, 코일(11)의 코너부(C)에 대응하는 영역의 보다 외측 부분에서, 보다 낮아지는 경향이 있다. 본 실시 형태에서는, 코일축 방향에서 볼 때 지지 부재(31)의 적어도 일부가 최외주의 권선(13e)과 중복되도록 배치되어 있다. 이에 의해, 보다 자속 밀도가 낮은 영역에 지지 부재(31)가 배치되기 때문에, 코일(11)의 전자기적 성능의 저하를 보다 확실하게 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 코일(11)의 코너부(C)에 대응하는 위치의 페라이트 타일(29)이, 페라이트 코어(21)보다 높은 열전도율을 갖는 알루미늄제의 지지 부재(31)로 치환되어 있다. 이 때문에, 상기 위치에 페라이트 타일(29)을 남긴 경우보다, 코일(11)의 권선(13)으로부터 방열면에 이르기까지의 열저항이 감소하므로, 방열성이 향상된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 지지 부재(31)가 알루미늄제이기 때문에, 지지 부재(31)가 예를 들어 수지제인 경우보다, 코일(11)의 권선(13)으로부터 방열면에 이르기까지의 열저항이 감소하므로, 방열성이 향상된다. 특히, 본 실시 형태에서는, 지지 부재(31)는, 지면에 체결된 베이스 플레이트(33)로 열전달 가능하게 연결되어 있으므로, 베이스 플레이트(33)를 통해서 권선(13)의 열을 효율적으로 방출할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 코일(11)의 권선(13)이 직사각형 와권 형상으로 감겨져 있으므로, 평면에서 볼 때 종횡 치수가 제한된 직사각형 영역 내에서 각 턴마다의 코일 면적(권선(13)이 둘러싸는 면적)을 보다 크게 취할 수 있어, 코일(11)의 인덕턴스를 높일 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 코일(11)은, 4개의 비코너부(NC)가 대략 직선 형상이기 때문에, 각 코너부(C)에 있어서의 최내주의 권선(13a)의 곡률과 그 권선(13a)의 곡률 평균값의 차를 크게 취할 수 있다. 따라서, 코너부 근방 영역(CP)에서 상대적으로 자속 밀도가 저하되는 경향이 보다 현저해진다. 이에 의해, 코너부(C)에 대향해서 배치된 지지 부재(31)가 코일(11)의 전자기적 성능에 미치는 영향을, 보다 낮게 억제할 수 있다.
<제2 실시 형태>
이어서, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 비접촉 급전용 코일 유닛(U2)에 대해서, 도 3을 참조하여 설명한다. 또한, 상기에 있어서 이미 설명한 구성 요소와 동일한 기능을 갖는 것에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
코일 유닛(U2)은 지지 부재(31A)(열도체)의 상단부(31Aa)가, 코일축 방향에서 볼 때 최내주의 권선(13a)보다 외측에 위치하고 있는 점에 있어서, 제1 실시 형태에 따른 코일 유닛(U1)과 상이하다.
도 3의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 지지 부재(31A)는, 제1 실시 형태의 지지 부재(31)와 마찬가지로, 코어부(20)의 네 코너에 설치되어 있다. 각 지지 부재(31A)는, 각기둥 모양의 형상을 갖고 있고, 그 상단부(31Aa)는, 코어 케이스(23)의 트레이(25)의 저판(25a)의 네 코너에 형성된 개구(25c)에 삽입되어, 코어 케이스(23)의 덮개(27)를 끼워서 코일(11)의 코너부(C)와 코일축 방향에 대향하고 있다.
본 실시 형태에서는, 지지 부재(31A)의 상단부(31Aa)는, 적어도 코일(11)의 코너부(C)를 구성하는 최외주의 권선(13e)의 바로 아래에 위치(코일축 방향 투영에 있어서 권선(13e)과 중복)하도록 배치되어 있다. 또한, 상단부(31Aa)는, 코일축 방향에서 볼 때 코일(11)의 최내주의 권선(13a)보다 외측에 위치하고 있다. 즉, 코일축 방향에서 볼 때, 상단부(31Aa)에 있어서의 가장 내측의 단부(31AP)가, 코일(11)의 코너부(C)를 구성하는 최내주의 권선(13a)보다 외측에 위치하고 있다. 그 때문에, 지지 부재(31A)의 상단부(31Aa)는, 최내주의 권선(13a)의 바로 아래에 위치하지 않고(코일축 방향 투영에 있어서 권선(13a)과 중복하지 않고), 코너부 근방 영역(CP) 중 내측의(코일축(X)에 보다 가까운) 부분(CP1)(도 2 참조)에는, 지지 부재(31A)가 존재하지 않는다. 그리고, 당해 부분(CP1)에는, 지지 부재(31A) 대신 페라이트 타일(29a)이 배치되어 있다.
본 실시 형태에 따른 비접촉 급전용 코일 유닛(U2)에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지 효과에 더하여, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
코너부 근방 영역(CP)의 내측 부분(CP1)에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 국소적으로 자속 밀도가 높은 영역이 형성되기 쉽다. 본 실시 형태에서는, 지지 부재(31A)가, 코일축 방향에서 볼 때 최내주의 권선(13a)보다 외측에 위치하고 있으므로, 코너부 근방 영역(CP)의 내측 부분(CP1)에 형성되는 고자속 밀도 영역에 페라이트 코어(21)를 배치할 수 있다. 이에 의해, 코일(11)의 전자기적 성능의 저하를 한층 더 억제할 수 있다.
<제3 실시 형태>
이어서, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 비접촉 급전용 코일 유닛(U3)에 대해서, 도 4를 참조하여 설명한다. 또한, 상기에 있어서 이미 설명한 구성 요소와 동일한 기능을 갖는 것에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
코일 유닛(U3)은, 주로 이하의 두가지 점에 있어서, 제1 및 제2 실시 형태에 따른 코일 유닛(U1, U2)과 상이하다. 즉, 첫번째 점은, 하나의 비코너부(NC)에 대향해서 복수의 제1 지지 부재(31B)가 배치되고, 또한 이들 제1 지지 부재(31B)의 각각의 사이에 코일(11)의 내측으로부터 외측을 향해서 연장하는 제2 페라이트 타일(29d)(자성체제 코어 부재)이 배치된 점이다. 두번째 점은, 하나의 코너부(C)에 대향해서 복수의 제2 지지 부재(31C)(열도체)가 배치되고, 이들 제2 지지 부재(31C)의 사이에 코일(11)의 내측으로부터 외측을 향해서 연장하는 제3 페라이트 타일(29e)(자성체 부재)이 배치된 점이다.
도 4의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 페라이트 코어(21)는, 코어 케이스(23)의 수용 공간(S) 내에 깔린 복수의 제1 페라이트 타일(29c), 제2 페라이트 타일(29d) 및 제3 페라이트 타일(29e)로 구성되어 있다.
제1 페라이트 타일(29c)은, 저면이 대략 정사각형의 직육면체 모양의 형상을 갖고 있고, 코일축 방향에서 볼 때 최내주의 권선(13a)보다 내측의 직사각형 영역에 간극없이 깔려 있다.
제2 페라이트 타일(29d)은, 코일(11)의 비코너부(NC)를 구성하는 권선(13)의 바로 아래에 위치(코일축 방향 투영에 있어서 당해 권선(13)과 중복)하도록, 코일(11)의 비코너부(NC)의 연장 방향으로 소정의 간격을 두고 배치되어 있다. 각 제2 페라이트 타일(29d)은, 저면이 대략 직사각형의 직육면체 모양의 형상을 갖고 있고, 코일축 방향에서 볼 때 비코너부(NC)를 구성하는 권선(13)을 가로 지르도록 배치되어 있다. 구체적으로는, 각 제2 페라이트 타일(29d)은, 보다 코일축(X)에 가까운 내측단부가 어느 제1 페라이트 타일(29c)과 접촉하고 있어, 코일축 방향에서 볼 때, 비코너부(NC)의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 연장되는 자로를 형성하고 있다.
제3 페라이트 타일(29e)은, 코일(11)의 코너부(C)를 구성하는 권선(13)의 바로 아래에 위치(코일축 방향 투영에 있어서 당해 권선(13)과 중복)하도록 배치되어 있다. 각 제3 페라이트 타일(29e)은, 저면이 가늘고 긴 육각형의 육각기둥 모양의 형상을 갖고 있고, 코일축 방향에서 볼 때 코너부(C)를 구성하는 권선(13)을 가로 지르도록, 혹은 코너부(C)를 구성하는 권선(13)의 곡률 반경 방향을 따라서 연장하도록 배치되어 있다. 각 제3 페라이트 타일(29e)은, 보다 코일축(X)에 가까운 내측단부가 제1 또는 제2 페라이트 타일(29c, 29d)과 접촉하고 있어, 코일축 방향에서 볼 때, 코너부(C)의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 방사상으로 연장하는 자로를 형성하고 있다. 각 제3 페라이트 타일(29e)의 양측에는, 당해 제3 페라이트 타일(29e)와 그것에 가장 근접하는 2개의 제2 페라이트 타일(29d) 사이에, 코일축 방향에서 볼 때 삼각 형상의 간극이 형성되어 있다.
제3 페라이트 타일(29e)의 상면은, 코어 케이스(23)의 덮개(27)를 끼워서 코일(11)의 코너부(C)와 코일축 방향에 대향하는 위치에 있다. 또한, 제2 페라이트 타일(29d)의 상면은, 코어 케이스(23)의 덮개(27)를 끼워서 코일(11)의 비코너부(NC)와 코일축 방향에 대향하는 위치에 있다.
코어 케이스(23)의 트레이(25)의 저판(25a)에는, 제2 페라이트 타일(29d)끼리의 사이 및 제2 페라이트 타일(29d)과 제3 페라이트 타일(29e) 사이에 형성되는 상기 간극에 대응하는 위치에, 개구(25c1, 25c2)가 설치되어 있다. 제2 페라이트 타일(29d)끼리의 사이의 간극에 대응하는 제1 개구(25c1)에는, 후술하는 제1 지지 부재(31B)의 상단부(31Ba)가 삽입되어 있다. 또한, 제2 페라이트 타일(29d)과 제3 페라이트 타일(29e) 사이의 간극에 대응하는 제2 개구(25c2)에는, 후술하는 제2 지지 부재(31C)의 상단부(31Ca)가 삽입되어 있다.
지지부(30)는, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 복수의 알루미늄제의 제1 지지 부재(31B) 및 제2 지지 부재(31C)와, 제1 및 제2 지지 부재(31B, 31C)의 하단부에 열전달 가능하게 연결된 베이스 플레이트(33)를 포함한다.
제1 지지 부재(31B)는, 코어부(20)의 각 변에 3기씩 합계 12기 설치되어 있다. 각 제1 지지 부재(31B)는, 사각기둥 모양의 형상을 갖고 있고, 그 상단부(31Ba)는, 트레이(25)의 제1 개구(25c1)에 삽입되어 있다.
각 제1 지지 부재(31B)의 상단부(31Ba)는, 코어 케이스(23)의 덮개(27)를 끼워서 코일(11)의 비코너부(NC)와 코일축 방향에 대향하고 있고, 적어도 비코너부(NC)를 구성하는 권선(13)의 바로 아래에 위치(코일축 방향 투영에 있어서 당해 권선(13)과 중복)하도록 배치되어 있다. 또한, 상단부(31Ba)의 상면은, 제2 페라이트 타일(29d)의 상면과 대략 면이 일치하고, 또한 코어 케이스(23)의 덮개(27)의 하면(내측면)과 접촉하고 있다. 또한, 상단부(31Ba)의 측면은, 제1 및 제2 페라이트 타일(29c, 29d)의 측면과 접촉하고 있다.
한편, 제2 지지 부재(31C)는, 코어부(20)의 네 코너에 2기씩 설치되어 있다. 각 제2 지지 부재(31C)는, 삼각기둥 모양의 형상을 갖고 있고, 상단부(31Ca)는, 트레이(25)의 제2 개구(25c2)에 삽입되어 있다.
각 제2 지지 부재(31C)의 상단부(31Ca)는, 코어 케이스(23)의 덮개(27)를 끼워서 코일(11)의 코너부(C)와 코일축 방향에 대향하고 있고, 적어도 코너부(C)를 구성하는 최외주의 권선(13e)의 바로 아래에 위치(코일축 방향 투영에 있어서 당해 권선(13e)과 중복)하도록 배치되어 있다. 또한, 상단부(31Ca)의 상면은, 제2 및 제3 페라이트 타일(29d, 29e)의 상면과 대략 면이 일치하고, 또한 코어 케이스(23)의 덮개(27)의 하면(내측면)과 접촉하고 있다. 또한, 상단부(31Ca)의 측면은, 제2 및 제3 페라이트 타일(29d, 29e)의 측면과 접촉하고 있다.
그리고, 제1 및 제2 지지 부재(31B, 31C)와 코일(11)은, 코어 케이스(23)의 덮개(27)와 권선(13)의 접촉면, 덮개(27)와 제1 및 제2 지지 부재(31B, 31C)의 상단부(31Ba, 31Ca)의 접촉면 및 덮개(27)를 통해서 열전달 가능하다. 또한, 제1 지지 부재(31B)와 페라이트 코어(21)는, 제1 지지 부재(31B)의 상단부(31Ba)와 제1 및 제2 페라이트 타일(29c, 29d)의 접촉면을 통해서 열전달 가능하다. 또한, 제2 지지 부재(31C)와 페라이트 코어(21)는, 제2 지지 부재(31C)의 상단부(31Ca)와 제2 및 제3 페라이트 타일(29d, 29e)의 접촉면을 통해서 열전달 가능하다. 따라서, 코일부(10) 및 코어부(20)에서 발생한 열은, 제1 및 제2 지지 부재(31B, 31C) 및 베이스 플레이트(33)를 통해서 외부(지면 등)로 방열된다.
본 실시 형태에 따른 비접촉 급전용 코일 유닛(U3)에 따르면, 제1 및 제2 실시 형태와 마찬가지 효과에 더하여, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에서는, 코일(11)의 하나의 코너부(C)에 대향해서 복수의 제2 지지 부재(31C)가 배치되고, 또한 그들 제2 지지 부재(31C)의 사이에 코일(11)의 내측으로부터 외측을 향해서 연장하는 제3 페라이트 타일(29e)이 배치되어 있다. 이 때문에, 코너부(C)에 대응하는 영역에 있어서, 자속의 흐름을 따른 자로를 적은 자성체 재료로 형성할 수 있음과 함께, 양호 열도체인 제2 지지 부재(31C)의 범위를 넓게 취할 수 있다. 이에 의해, 코일(11)의 전자기적 성능의 저하를 억제하면서 코일 유닛(U3)의 방열성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 코일(11)의 하나의 비코너부(NC)에 대향해서 복수의 제1 지지 부재(31B)가 배치되고, 또한 그들 제1 지지 부재(31B)의 사이에 코일(11)의 내측으로부터 외측을 향해서 연장하는 제2 페라이트 타일(29d)이 배치되어 있다. 이 때문에, 비코너부(NC)에 대응하는 영역에 있어서, 자속의 흐름을 따른 자로를 적은 자성체 재료로 형성할 수 있음과 함께, 양호 열도체인 제1 지지 부재(31B)의 범위를 넓게 취할 수 있다.
<코너부(C) 및 비코너부(NC)>
상기 평형 코일(11)의 코너부(C)는, 코일에 요구되는 인덕턴스나 권선(13)의 허용 곡률(최소 굽힘 반지름) 등에 따라서 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 소정의 코너부 영역 내에 있어서 최내주로부터 최외주까지 모든 권선(13)을 그 최소 굽힘 반지름으로 굽힘으로써, 각 턴마다 권선(13)이 둘러싸는 면적을 최대화하는 것이 생각된다. 이 경우, 코너부(C)는, 최내주의 권선(13a)의 곡률 극대부(13ar)와, 다른 권선(13b 내지 13e) 중, 곡률 극대부(13ar)보다 외측이고, 또한 일측 경계면(P1)과 타측 경계면(P2) 사이에 위치하는 부분으로 구성된다. 이 코너부(C)는 최외주의 권선(13e)의 곡률 극대부(13er)를 포함하고 있다. 또한, 비코너부(NC)는 인접하는 코너부(C)끼리의 사이의 경계면(P1, P2)에 끼워진 부분이며, 도 5의 (a)의 코일(11)에서는, 대략 직선 형상의 권선(13)으로 구성된다.
또한, 권선(13)이 절곡 가능한 경우에는, 코너부(C)는 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 최내주의 권선(13a)의 절곡점을 통과하는 일측 경계면(P1)과 타측 경계면(P2) 사이에 위치하는 부분으로 구성된다. 또한, 비코너부(NC)는, 도 5의 (a)의 코일(11)과 마찬가지로, 인접하는 코너부(C)끼리의 사이의 경계면(P1, P2) 사이에 끼워진 부분이며, 대략 직선 형상의 권선(13)으로 구성된다.
또한, 코일(11)의 비코너부(NC)를 구성하는 권선(13)은, 통전 시의 진동이나 열팽창 등의 영향을 저감시키기 위해서, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 조금 만곡시켜도 된다. 이 경우에도, 코너부(C)는, 최내주의 권선(13a)의 곡률 극대부(13ar)와, 다른 권선(13b 내지 13e) 중, 곡률 극대부(13ar)보다 외측이고, 또한 일측 경계면(P1)과 타측 경계면(P2) 사이에 위치하는 부분으로 구성된다. 이 코너부(C)에는, 최외주의 권선(13e)의 곡률 극대부(13er)의 일부가 포함되어 있다. 또한, 도 5의 (a) 내지 (c)에서 재색으로 착색한 부분이 각 권선의 곡률 극대부에 해당하고 있다.
또한, 권선의 최소 굽힘 반지름이 큰 경우나 권선의 턴수가 많은 경우에는, 최내주의 권선이 코일축 방향에서 볼 때 원형이 되는 것도 생각된다. 그 경우에는, 당해 원형의 권선 이외의 권선 중, 코일축 방향에서 볼 때 비원형이고, 또한 가장 내측에 위치하는 것을 상기 최내주의 권선으로 간주함으로써, 코너부(C) 및 비코너부(NC)를 정의하면 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 이들 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서 기재된 단순한 예시에 지나지 않으며, 본 발명은, 그들의 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 범위는, 상기 실시 형태에서 개시한 구체적인 기술 사항에 한하지 않고, 거기에서 용이하게 유도할 수 있는 여러가지 변형, 변경, 대체 기술 등도 포함하는 것이다.
예를 들어, 상기 실시 형태의 코일 유닛(U1, U2, U3)은, 급전용 코일 유닛이었지만, 본 발명은 전동 차량에 탑재된 수전용 코일 유닛에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 수전용 코일 유닛은 코일부와, 코일부의 상방에 설치된 코어부와, 코일부 및 코어부를 차체 하면에 지지하는 지지부로 구성할 수 있다. 그리고 지지부는, 코어 케이스 내에 삽입된 지지 부재(열도체)와, 그 지지 부재에 연결되고, 또한 차체 하면에 체결된 알루미늄제의 자기 실드로 구성할 수 있다. 이 코일 유닛에서는, 코일부 및 코어부에서 발생한 열은, 지지 부재 및 자기 실드를 통해서 외부(자기 실드 주위의 공기 등)로 방열된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 열도체인 지지 부재(31, 31A, 31B, 31C)로서 알루미늄제의 것을 채용했지만, 지지 부재의 재질은 특별히 한정되지 않고 페라이트 코어(21)보다 열전도율이 큰 부재이면 채용 가능하다. 통전 시의 발열을 억제하는 관점에서 히스테리시스손 및 와전류손이 낮은 재질인 것이 바람직하지만, 반드시 비자성체제일 필요는 없다. 또한, 비용면 등에서 알루미늄재가 가장 적합하다.
또한, 상기 실시 형태의 코일(11)은, 코일축 방향에서 볼 때 대략 직사각형 환상의 형상을 갖고 있었지만, 코일의 형상은 특별히 한정되지 않고 비원형이면 본 발명을 적용할 수 있다. 비원형의 형상의 예로서는, 부채 형상, 반원 형상, 다각 형상 등을 들 수 있다. 다각 형상의 코일이면, 모서리에 대응하는 부분에 코너부(C)가 형성되고, 변에 대응하는 부분에 비코너부(NC)가 형성된다. 부채 형상의 코일에서는, 반경과 호의 교점이나 중심각에 대응하는 부분에 코너부(C)가 형성되고, 반경이나 호에 대응하는 부분에 비코너부(NC)가 형성된다. 반원 형상의 코일에서는, 현의 양 끝에 대응하는 부분에 코너부(C)가 형성되고, 현이나 호에 대응하는 부분에 비코너부(NC)가 형성된다. 그 때문에, 이들 비원형 코일의 주변 영역에서도, 자속 밀도의 분포에 치우침이 발생하여, 상기 직사각형 환상 코일의 경우와 마찬가지로, 코너부 근방 영역에, 보다 자속 밀도가 낮은 영역이 발생하기 쉽게 되어 있다. 따라서, 이들 코일에서도, 열도체를 코너부(C)에 대향해서 배치함으로써, 코어 부재를 통과하는 자속량에 대한 영향을 억제하면서 발열체인 코일 권선에 열도체를 근접해서 배치할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 코일부(10)가 단일의 코일(11)을 갖고 있었지만, 코일부는 코일축 직교 방향(수평 방향)으로 배열해서 배치된 2 이상의 코일을 구비하고 있어도 된다. 상기 실시 형태의 코일(11)은, 최내주로부터 최외주까지 5턴 권회하였지만, 권회수는 특별히 한정되지 않고 5턴 미만 혹은 5턴보다 많아도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 코일(11)의 권선(13)은 최내주로부터 최외주까지 코일축 방향으로 겹치지 않고 권회되어 있었지만, 권선은 코일의 일부 또는 전부에 있어서 코일축 방향으로 2층 이상 겹쳐서 권회되어 있어도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 지지 부재(31, 31A, 31B, 31C)의 상단부(31a, 31Aa, 31Ba, 31Ca)와 코일(11) 사이에 코어 케이스(23)의 덮개(27)를 개재시켜서 전기적 절연성을 확보하였다. 그러나, 권선(13)을 절연층으로 피복하거나 해서 그 자체로 충분한 절연성을 확보할 수 있는 것이면, 지지 부재(31, 31A, 31B, 31C)의 상면을 권선(13)에 직접 접촉시켜도 된다. 이에 의해 코일 유닛의 방열성이 더욱 향상된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 코일(11)의 코너부(C)에 대향하는 페라이트 타일(29)을 지지 부재(31, 31A, 31C)로 치환함으로써, 지지 부재(31, 31A, 31C)를 코일(11)에 근접시켰지만, 당해 페라이트 타일(29)의 두께를 얇게(코일축 방향의 높이를 낮게) 하거나 해서, 지지 부재(31, 31A, 31C)를 코일에 접근시켜도 된다.
본 발명에 따르면, 비접촉 전력 전송용 코일 유닛을 제공할 수 있다.
U1, U2, U3 : 비접촉 급전용 코일 유닛
11 : 코일(평형 코일)
C : 코너부
NC : 비코너부
13, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e : 권선
21 : 페라이트 코어(자성체제 코어 부재)
29 : 페라이트 타일(자성체제 코어 부재)
29d : 제2 페라이트 타일(자성체제 코어 부재)
29e : 제3 페라이트 타일(자성체 부재)
31 : 지지 부재(열도체)
31A : 지지 부재(열도체)
31C : 제2 지지 부재(열도체)

Claims (4)

  1. 코일축 방향에서 볼 때 코너부와 비코너부를 갖는 비원형의 평형 코일과,
    상기 평형 코일의 비코너부에 코일축 방향에 대향해서 배치된 자성체제 코어 부재와,
    상기 평형 코일의 코너부에 코일축 방향에 대향해서 배치된, 상기 코어 부재보다 높은 열전도율을 갖는 열도체를 구비한, 비접촉 전력 전송용 코일 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열도체의 적어도 일부가, 코일축 방향에서 볼 때 최외주의 권선과 중복되도록 배치되어 있는, 비접촉 전력 전송용 코일 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열도체가, 코일축 방향에서 볼 때 최내주의 권선보다 외측에 위치하고 있는, 비접촉 전력 전송용 코일 유닛.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나의 상기 코너부에 대향해서 복수의 상기 열도체가 배치되고, 또한 이들 복수의 열도체 사이에 코일의 내측으로부터 외측을 향해서 연장하는 자성체 부재가 배치된, 비접촉 전력 전송용 코일 유닛.
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