KR20190103235A - 비접촉 급전용 코일 유닛 - Google Patents

비접촉 급전용 코일 유닛 Download PDF

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Abstract

비접촉으로 전력을 송전 또는 수전하는 비접촉 급전용 코일 유닛(100)이며, 중공부를 갖고 상하 방향을 코일 축으로 한 코일(15)과, 코일(15)의 중공부에 대응하는 위치에 개구부(11a)를 갖는 제1 자성체(11)와, 코일(15)의 중공부이며, 제1 자성체(11)의 한쪽 면측에 배치하는 평판형 제2 자성체(12)와, 제1 자성체(11)와 제2 자성체(12) 사이에 배치된 절연판(14)을 구비한다. 자성체의 면 강성을 높이고, 또한, 자성체의 접촉면에서의 절연 파괴의 가능성을 억제하는 것이 가능해진다.

Description

비접촉 급전용 코일 유닛
본 발명은 차량에 탑재하는 배터리를 비접촉으로 충전할 때에 사용되는 비접촉 급전용 코일 유닛에 관한 것이다.
차량에 탑재되는 비접촉 급전용 코일 유닛은, 박형화를 도모하기 위해서, 중앙에 공간을 갖는 단면 볼록형 형상으로 하고, 이 공간에 콘덴서를 배치하는 구성으로 할 것이 요망된다. 이와 같은 비접촉 급전용 코일의 종래예로서, 특허문헌 1에 개시된 것이 알려져 있다. 해당 특허문헌 1은, 휴대 전화기의 비접촉 급전에 관한 것이고, 코일에 사용되는 페라이트(자성체)는, 단면이 볼록형 형상으로 되어 있고, 중앙의 볼록부의 주위에 전선을 권회하여 코일을 형성하고 있다. 그러나, 차량의 비접촉 급전용 코일에 사용되는 페라이트는, 휴대 전화기보다도 대형이므로, 페라이트의 단면을 볼록 형상으로 하면 면 강성이 취약해질 가능성이 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 복수의 면 형상의 페라이트를 면 접촉시켜 중첩 배치함으로써, 중첩된 복수의 페라이트 전체로서 단면 볼록 형상을 형성하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 페라이트끼리를 면 접촉시키면, 접촉하는 면의 일부에 간극이 생긴 경우에 당해 간극이 절연 파괴될 가능성이 있다.
일본 특허 공개 제2008-294385호 공보 일본 특허 공개 제2015-106939호 공보
상술한 바와 같이, 차량에 탑재하는 비접촉 급전용 코일에 사용되는 자성체(페라이트)를 볼록형 형상으로 하면, 외부 응력에 의해 파손된다는 문제가 있다. 또한, 복수의 페라이트를 면 접촉시켜 볼록형 형상으로 하면, 페라이트끼리 접촉하는 면에 의해 절연 파괴될 가능성이 있다는 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 페라이트의 면 강성을 높이고, 또한, 페라이트의 접촉면에서의 절연 파괴의 가능성을 억제할 수 있는 비접촉 급전용 코일 유닛을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 형태는, 중공부를 갖고 상하 방향을 코일 축으로 한 코일과, 코일의 중공부에 대응하는 위치에 개구부를 갖는 제1 자성체와, 코일의 중공부에 마련되는 평판형 제2 자성체와, 제1 자성체와 상기 제2 자성체 사이에 배치된 절연판을 구비한다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 페라이트의 면 강성을 높이고, 또한, 페라이트의 접촉면에서의 절연 파괴의 가능성을 억제하는 것이 가능해진다.
도 1a는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 코일 유닛의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 1b는, 제1 실시 형태에 관한 코일 유닛 측면의 단면도이다.
도 2a는, 제1 페라이트와 제2 페라이트의 중복 부분을 나타내는 설명도이다.
도 2b는 제1 페라이트와 제2 페라이트의 중복 부분에 생기는 자속을 나타내는 설명도이며, 중복 폭이 제1 페라이트의 판 두께 이상인 경우를 나타낸다.
도 2c는 제1 페라이트와 제2 페라이트의 중복 부분에 생기는 자속을 나타내는 설명도이며, 중복 폭이 제1 페라이트의 판 두께 미만인 경우를 나타낸다.
도 3은 절연판에 인가되는 전압을 나타내는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 코일 유닛의, 제1 페라이트와 제2 페라이트의 중복부를 나타내는 설명도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 코일 유닛의, 제1 페라이트와 제2 페라이트의 중복부를 나타내는 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 코일 유닛의, 제1 페라이트와 제2 페라이트의 중복부를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
[제1 실시 형태의 설명]
도 1a는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 비접촉 급전용 코일 유닛(이하, 「코일 유닛」이라고 생략함)의 저면도, 도 1b는, 측면의 단면도이다. 즉, 도 1b의 화살표 「A」 방향의 도면이, 도 1a이다. 해당 코일 유닛은, 차량의 저면에 설치되어, 지상측에서 송전되는 전력을 수전하는 수전측의 코일 유닛을 나타내고 있다.
도 1a, 도 1b에 나타내는 바와 같이, 코일 유닛(101)은, 평판형을 이뤄 차량의 저부에 고정되는 알루미늄제의 베이스 플레이트(13)를 구비한다. 또한, 해당 베이스 플레이트(13)의 하면측에는 평판형의 제1 페라이트(11)(제1 자성체)가 배치되고, 추가로 그 하면측(한쪽 면측)에는 평판형의 제2 페라이트(12)(제2 자성체)가 배치되어 있다.
제1 페라이트(11)는, 중앙에 직사각형의 개구부(11a)가 형성되고, 이 개구부(11a)에 대응하는 위치에 제2 페라이트(12)가 마련되어 있다.
제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12) 사이에는, 플라스틱이나 수지 등의 절연성 재료로 형성된 평판형의 절연판(14)이 마련되어 있다. 또한, 제1 페라이트(11)의 하면측의 주위부에는, 리츠선(전선)을 소용돌이형으로 권회한 코일(15)이 마련되어 있다. 즉, 코일(15)은, 상하 방향을 코일 축으로 하고 있고, 중앙에 중공부를 갖고 있다. 이 중공부에 대응하는 위치에 제2 페라이트(12)가 마련되어 있다. 코일(15)은, 콘덴서(도시 생략)와 접속되어, 수전용 공진 회로를 형성한다.
베이스 플레이트(13), 제1 페라이트(11), 절연판(14), 및 제2 페라이트(12)를 배치하고, 또한, 코일(15)을 배치한 상태로, 주위에 수지를 몰드하여 전체를 고정하여 코일 유닛(101)을 형성한다. 이 코일 유닛(101)을 지상측에 마련된 송전용 코일(도시 생략)과 대향시켜, 송전용 코일을 여자시킴으로써, 해당 송전용 코일 로부터 출력되는 자속이 코일 유닛(101)의 코일과 쇄교한다. 그 결과, 비접촉으로 전력을 수전하는 것이 가능해진다.
[제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)의 위치 관계에 대해서]
다음에, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)의 위치 관계에 대해 설명한다. 제2 페라이트(12)는, 제1 페라이트(11)의 중앙에 형성된 개구부(11a)보다도 약간 크게 형성되어 있다. 따라서, 제2 페라이트(12)에 형성된 개구부(11a)의 중심에, 제2 페라이트(12)의 중심을 맞춰서 배치하면, 제2 페라이트(12)의 주변부와 개구부(11a)의 주위부가 중복된다. 즉, 도 1b의 부호 P1에 나타내는 바와 같이, 일부가 중복된다.
본 실시 형태에서는, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 제1 페라이트(11)의 판 두께를 TFe라 하고, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)의 중복 폭을 YOL라 했을 때, 중복 폭 YOL이 판 두께 TFe 이상이 되도록 설정하고 있다. 즉, 「YOL≥TFe」로 하고 있다. 이와 같이 함으로써, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)의 중복부에 있어서, 판 두께 TFe를 갖는 제1 페라이트(11)와 동등한 자로가 확보되어 자속이 통과된다. 제1 페라이트(11)에서의 자속 밀도와, 중복부에서의 자속 밀도를 동일 정도로 할 수 있다. 이 때문에, 자속의 집중에 의한 발열을 방지할 수 있다.
한편, 「YOL≥TFe」로 하지 않는 경우에는, 도 2c에 나타내는 바와 같이 중복부 P1의 자속 밀도가 증가하므로 발열되어, 손실이 커진다. 본 실시 형태에서는 상기한 바와 같이 「YOL≥TFe」로 함으로써, 이와 같은 문제를 피하고 있다.
[중복 폭, 절연판(14)의 판 두께, 및 제1 페라이트(11)의 판 두께와의 관계에 대해서]
다음에, 도 2a에 나타내는 중복 폭 YOL, 절연판(14)의 판 두께(이것을, 「Tb」라 함), 및 제1 페라이트(11)의 판 두께 TFe와의 관계에 대해 설명한다. 절연판(14)은, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12) 사이에 인가되는 전압이 커지면, 절연 파괴를 야기해 코로나 방전을 일으킬 가능성이 있다. 코로나 방전의 발생을 방지할 수 있는 최소 판 두께 Tb0은, 인가 전압 VLmax와 코로나 방전의 임계값α(kV/㎜)를 사용하여, 이하의 (1) 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00001
인가 전압 VLmax는, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12) 사이에 생기는 최대 전압이다. 즉, 인가 전압 VLmax일 때에는, 절연판(14)의 판 두께 Tb를 (1) 식으로 나타내는 최소 판 두께 Tb0 이상으로 설정하면, 코로나 방전의 발생을 피할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 「YOL≥TFe」가 성립하므로, 최소의 중복 폭(이것을, YOLmin이라 함)은, 제1 페라이트(11)의 두께 TFe와 동등하다. 따라서, (2) 식이 성립된다.
Figure pct00002
중복부의 최소 자기 저항을 Rm_min이라 하면, 이 최소 자기 저항 Rm_min은, 최소의 중복 폭 YOLmin(=TFe)일 때의 자기 저항이기 때문에, (3) 식이 성립된다.
Figure pct00003
단, l은 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)의 거리(즉, 절연판(14)의 판 두께), μ는 투자율, S는 중복부의 면적, X는 중복부의 깊이의 거리이다.
임의의 판 두께 Tb를 갖는 절연판(14)을 사용했을 때의 자기 저항 Rm은, (4) 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00004
단, YOL은 중복 폭이다.
상기 (3), (4) 식으로부터, 임의의 판 두께 Tb를 갖는 절연판(14)이고, 최소 자기 저항 이하로 하기 위해서는, 중복 폭 YOL을 (5) 식이 성립하도록 설정하면 된다.
Figure pct00005
즉, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)의 중복 폭 YOL은, 제1 페라이트(11)의 판 두께 TFe, 및 절연판(14)의 판 두께 Tb에 의해 결정된다.
또한, 상기 최대 전압 VLmax는, 코일에 인가되는 전압으로 할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 코일에 인가되는 전압이 1.5kV인 경우에는, 이 전압을 최대 전압 VLmax로 설정한다. 예를 들어, 코로나 방전의 임계값α를 3(kV/㎜)이라 하면, 절연판(14)의 최소 두께 Tb0은 (1) 식으로부터, Tb0=0.5㎜가 된다. 따라서, 상기 (5) 식에서 Tb0=0.5로 하고, 또한, Tb, TFe에 각각 절연판(14), 및 제1 페라이트(11)의 실제 판 두께를 대입함으로써, 중복 폭 YOL을 연산할 수 있다.
다음에, 본 실시 형태에 관한 코일 유닛(101)의 작용에 대해 설명한다. 상술한 바와 같이 구성한 코일 유닛(101)은, 지상측에 설치되는 송전측의 코일 유닛과 대향하고, 송전측의 코일 유닛으로부터 발생되는 자속이 코일 유닛(101)에 쇄교한다. 이 때, 자속은 중복부를 통과한다. 중복 폭 YOL은, 제1 페라이트(11)의 판 두께 TFe 이상으로 되어 있으므로, 중복부에서 자속 밀도가 증가하는 것을 피할 수 있고, 발열을 방지할 수 있다. 또한, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)는, 절연판(14)을 통하여 배치되어 있고, 직접적으로는 접하고 있지 않다. 따라서, 전계의 집중에 의한 발열을 방지할 수 있다.
또한, 절연판(14)의 판 두께 Tb는, 상기 (5) 식이 성립하도록 설정하고 있으므로, 절연판(14)이 절연 파괴하여 코로나 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이 하여, 제1 실시 형태에 관한 코일 유닛(101)에서는, 제1 페라이트(11)의 한쪽 면측의 개구부(11a)에 대응하는 위치에 제2 페라이트(12)를 마련하고, 또한, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12) 사이에 수지 등의 절연 재료로 형성되는 절연판(14)을 마련하고 있다. 따라서, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)가 직접적으로 접하는 것을 피할 수 있으므로, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)의 접촉면에서의 절연 파괴의 가능성을 억제할 수 있다. 또한, 종래와 같이, 페라이트 전체를 일체형의 구조로 하지 않으므로, 페라이트의 면 강성을 높일 수 있다.
또한, 제2 페라이트(12)의 일부가 제1 페라이트(11)의 일부와 중복하여 배치되므로, 이 중복 부분에 자속을 통과시킬 수 있어, 전력의 송전, 수전의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)의 중복 폭 YOL은, 제1 페라이트(11)의 판 두께 TFe 이상으로 설정되어 있으므로, 제1 페라이트(11)를 통과하는 자속 밀도와 중복부를 통과하는 자속 밀도를 거의 동일 정도로 할 수 있고, 발열이 발생되어 급전 효율이 저하된다는 문제를 피할 수 있다.
또한, 상술한 (5) 식에 나타낸 바와 같이, 절연판(14)의 판 두께 Tb가 두꺼울수록, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)의 중복 폭 YOL이 커지도록 설정되므로, 보다 효율적으로 자속을 통과시킬 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 차량의 저면에 탑재하는 수전용 코일 유닛을 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 지상측에 마련하는 송전용 코일 유닛에 채용하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 제1 실시 형태로 나타낸 코일 유닛에 비해 상하가 반대가 된다.
[제2 실시 형태의 설명]
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 도 4는, 제2 실시 형태에 관한 코일 유닛(102) 일부의 단면도이다. 제2 실시 형태에서는, 제2 페라이트(12)의 주위에 권회하는 코일(15)을 구성하는 리츠선을, 피복(22)이 마련된 리츠선이라고 하고 있다. 그리고, 제2 페라이트(12)보다도 외측이 되는 제1 페라이트(11)의 위에는, 절연판(14)을 마련하지 않는다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 절연판(14)은, 제2 페라이트(12)의 상면에만 배치되어 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 코일(15)을 권회하는 영역에 절연판(14)을 배치하지 않아도, 코일(15)이 절연되므로, 전술한 제1 실시 형태와 마찬가지 효과를 달성할 수 있다. 또한, 피복된 리츠선을 사용하여 코일(15)을 형성하는 경우에 유리하다.
[제3 실시 형태의 설명]
다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해 설명한다. 도 5는, 제3 실시 형태에 관한 코일 유닛(103) 일부의 단면도이다. 제3 실시 형태에서는, 제1 페라이트(11)의 중공부에 대응하는 위치에, 절연판(14)을 마련하고 있지 않은 점에서 전술한 제1 실시 형태와 상이하다. 즉, 제1 페라이트(11)와 제2 페라이트(12)가 중복되는 영역, 및 제1 페라이트(11) 위의 코일(15)이 권회되는 영역에만 절연판(14)을 마련하고 있고, 개구부(11a)에는 절연판(14)을 마련하지 않았다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 절연판(14)의 설치 영역을 삭감할 수 있어, 사용되는 재료의 양을 저감시킬 수 있다.
[제4 실시 형태의 설명]
다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 대해 설명한다. 도 6은, 제4 실시 형태에 관한 코일 유닛(104)의 단면도이다. 제4 실시 형태에서는, 제1 페라이트(11)의 코일(15)을 권회하는 영역의 절연판(14a)에, 단면이 원호 형상을 이루는 홈(21)을 형성하고 있다. 즉, 제1 자성체(제1 페라이트(11))의 표면에 배치되는 절연판(14)에는, 코일(15) 권회용의 홈(21)이 형성되어 있다. 그리고, 코일(15)을 배치하는 경우에는, 코일(15)이 이 홈(21) 내에 들어가도록 배치한다. 즉, 절연판(14)에 코일 권회용 홈(21)을 형성하여 코일(15)을 고정하기 위한 보빈으로서 사용하고 있다.
이와 같이 함으로써, 전술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 달성할 수 있다. 또한, 절연판(14)을 보빈과 겸용할 수 있으므로, 제1 페라이트(11)의 표면에 코일(15)을 권회하는 처리를 용이하게 행할 수 있다.
또한, 제2 페라이트(12)의 주위에 권회하는 코일(15)을 구성하는 리츠선을, 피복(22)이 마련된 리츠선으로 하고, 또한, 제1 페라이트(11)의 표면에 홈을 형성하고, 코일(15)을 홈 내에 들어가도록 배치해도 된다. 이와 같은 구성에 있어서도, 제1 페라이트(11)를 보빈과 겸용할 수 있으므로, 제1 페라이트(11)의 표면에 코일(15)을 권회하는 처리를 용이하게 행할 수 있다.
이상, 본 발명의 비접촉 급전용 코일 유닛을 도시된 실시 형태에 기초하여 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 각 부의 구성은, 동일한 기능을 갖는 임의의 구성의 것으로 치환할 수 있다.
11: 제1 페라이트(제1 자성체)
11a: 개구부
12: 제2 페라이트(제2 자성체)
13: 베이스 플레이트
14: 절연판
15: 코일
21: 홈
22: 피복
101, 102, 103, 104: 코일 유닛

Claims (5)

  1. 비접촉으로 전력을 송전 또는 수전하는 비접촉 급전용 코일 유닛이며,
    중공부를 갖고 상하 방향을 코일 축으로 한 코일과,
    상기 코일의 중공부에 대응하는 위치에 개구부를 갖는 제1 자성체와,
    상기 코일의 중공부이며, 상기 제1 자성체의 한쪽 면측에 배치하는 평판형의 제2 자성체와,
    상기 제1 자성체와 상기 제2 자성체 사이에 배치된 절연판
    을 구비한 것을 특징으로 하는 비접촉 급전용 코일 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 자성체의 일부는, 상기 제1 자성체의 일부와 중복되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 급전용 코일 유닛.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 자성체와 제2 자성체의 중복 폭은, 상기 제1 자성체의 판 두께 이상인 것을 특징으로 하는 비접촉 급전용 코일 유닛.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 자성체와 제2 자성체의 중복 폭은, 상기 절연판의 판 두께가 두꺼울수록 크게 하는 것을 특징으로 하는 비접촉 급전용 코일 유닛.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 자성체의 표면, 또는, 상기 제1 자성체의 표면에 배치되는 절연판에는, 코일 권회용 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 급전용 코일 유닛.
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