WO2013133255A1 - 非接触給電装置 - Google Patents

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WO2013133255A1
WO2013133255A1 PCT/JP2013/055931 JP2013055931W WO2013133255A1 WO 2013133255 A1 WO2013133255 A1 WO 2013133255A1 JP 2013055931 W JP2013055931 W JP 2013055931W WO 2013133255 A1 WO2013133255 A1 WO 2013133255A1
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WO
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coil
wiring
magnetic body
wiring portion
disposed
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Application number
PCT/JP2013/055931
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English (en)
French (fr)
Inventor
有二 成瀬
尚秋 東島
皆川　裕介
Original Assignee
日産自動車株式会社
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Publication date
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L5/00—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles
    • B60L5/005—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles without mechanical contact between the collector and the power supply line
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M7/00—Power lines or rails specially adapted for electrically-propelled vehicles of special types, e.g. suspension tramway, ropeway, underground railway
    • B60M7/003—Power lines or rails specially adapted for electrically-propelled vehicles of special types, e.g. suspension tramway, ropeway, underground railway for vehicles using stored power (e.g. charging stations)
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/005—Mechanical details of housing or structure aiming to accommodate the power transfer means, e.g. mechanical integration of coils, antennas or transducers into emitting or receiving devices
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J50/40—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices
    • H02J50/402—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices the two or more transmitting or the two or more receiving devices being integrated in the same unit, e.g. power mats with several coils or antennas with several sub-antennas
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    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact power feeding device.
  • an 8-shaped power supply coil disposed between railway rails laid on the track, a high-frequency power source that supplies power to the power supply coil, and a railway vehicle that travels on the railway rail
  • An 8-shaped current collecting coil disposed at the bottom and opposed to the 8-shaped power feeding coil during travel, a converter connected to the current collecting coil, and a rechargeable battery connected to the converter It is known that the rechargeable battery is charged with the output from the current collecting coil by the relative movement of the current collecting coil with respect to the power feeding coil (Patent Document 1).
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a non-contact power feeding device that suppresses a decrease in power feeding efficiency.
  • At least one of the power transmission coil and the power reception coil has four wiring portions arranged in parallel to each other, and two of the four wiring portions are arranged inside.
  • the size of the portion of the coil surface facing each other between the coils is difficult to change.
  • the amount of change in the coupling coefficient can be suppressed, and the reduction in power supply efficiency can be suppressed.
  • FIG. 11 It is a top view of the magnetic body of FIG. It is sectional drawing which follows the XX line of FIG. It is a perspective view of the non-contact electric power feeder which concerns on other embodiment of this invention. It is sectional drawing which follows the XI-XI line of FIG. It is a graph which shows the characteristic of the coupling coefficient and magnetic flux density with respect to the space
  • FIG. 1 is a perspective view of a non-contact power feeding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration on the power transmission side of the cross section taken along the line II-II in FIG.
  • the non-contact power feeding device of this example is used as a device that charges a battery mounted on a vehicle in a non-contact manner, for example.
  • the dotted arrow in FIG. 2 represents the flow of magnetic flux.
  • the non-contact power supply apparatus includes a power transmission unit 100 and a power reception unit 200.
  • the power transmission unit 100 is provided on the ground side, and the power reception unit 200 is provided on the vehicle side.
  • the power transmission unit 100 includes a coil 10, a magnetic body 20, and a shielding plate 30.
  • the coil 10 is a power transmission coil that supplies power to the power receiving coil 40 of the power receiving unit 200 in a non-contact manner by magnetic coupling.
  • the coil 10 is provided on the ground such as a road, and the length of the coil 10 in the width direction is shorter than the vehicle width of the vehicle.
  • FIG. 3 is a plan view of the coil 10.
  • the coil 10 includes a coil 11 disposed on the right side and a coil 12 disposed on the left side in FIG. 3, and the coil 11 and the coil 12 are arranged on the same plane.
  • the coil 11 has a rectangular coil surface and is wound once on the coil surface.
  • the coil 12 has the same shape as the coil 11, has a rectangular coil surface, and is wound once on the coil surface.
  • the coil 11 and the coil 12 are adjacent to each other with a gap.
  • the coil 11 and the coil 12 are wound in an 8-shape.
  • the coil surface indicates a surface on which one turn of the coil is formed by wiring. In this example, a step is provided in a part of the wiring as will be described later. Therefore, the coil surface includes the height due to the step. It is good.
  • the entire coil 10 is formed to have a rectangular shape with short sides and long sides when viewed on the same plane as the coil surface.
  • the long side is sufficiently longer than the short side.
  • the lead wires 131 and 132 of the coil are provided in the center part of the short side of the coil 10.
  • FIG. A wiring portion 133 for conducting the lead wire 131 and the coil 11 is bent from the lead wire 131 and is formed to the central portion of the short side along the short side of the coil 10 and extends from the lead wire 131. Wiring.
  • the longitudinal direction of the coil 10 (the direction along the long side of the coil 10) is the X direction
  • the width direction of the coil 10 (the direction along the short side of the coil 10) is the Y direction
  • the method of the coil surface of the coil 10 is used.
  • the line direction is taken as the Z direction.
  • the coil 11 has wiring portions 111 to 114.
  • the wiring part 111 is a wiring that is bent from the end part of the wiring part 133 in the long side direction of the coil 10 (X direction on the negative side in FIG. 3) and extends from the end part.
  • the wiring portion 112 is a wiring extending from the end portion of the wiring portion 111 so as to be bent in the short side direction of the coil 10 (the Y direction on the positive side in FIG. 3) to form the coil 11. .
  • the wiring part 113 is bent from the end of the wiring part 112 in the long side direction of the coil 10 (X direction on the positive side in FIG. 3), and the extending direction of the wiring part 111 (X direction on the negative side in FIG. 3).
  • the wiring extends in a direction parallel to the wiring portion 111 in the opposite direction (the X direction on the positive side in FIG. 3).
  • the wiring portion 114 is bent from the end portion of the wiring portion 113 and extends in a direction opposite to the extending direction of the wiring portion 112 (positive Y direction in FIG. 3) (negative Y direction in FIG. 3). Wiring.
  • a one-turn coil is formed by the wirings 111 to 114.
  • the wiring part 111 and the wiring part 113 are arranged in parallel, and the wiring part 112 and the wiring part 114 are arranged in parallel.
  • one end portion of both ends of the wiring portions 111 and 113 is electrically connected by the wiring portion 112.
  • one end portion of both ends of the wiring portions 121 and 123 is electrically connected by the wiring portion 122.
  • the other end of the wiring part 113 and the other end of the wiring part 121 are electrically connected by the wiring part 114.
  • the other end of the wiring part 111 and the other end of the wiring part 123 are electrically connected via lead wires 131 and 132.
  • the coil 12 has wiring portions 121 to 124.
  • the wiring portion 121 is a wiring that is bent from the end portion of the wiring portion 114 to the coil 10 (in the negative X direction in FIG. 3) and extends from the end portion.
  • the wiring portion 122 is a wiring extending from the end portion of the wiring portion 121 so as to be bent in the short side direction of the coil 10 (the Y direction on the negative side in FIG. 3) to form the coil 12. .
  • the wiring part 123 bends from the end of the wiring part 122 in the long side direction of the coil 10 (X direction on the positive side in FIG. 3) and extends in the extending direction of the wiring part 121 (X direction on the negative side in FIG. 3).
  • the wiring extends in a direction parallel to the wiring portion 121 in the opposite direction (the X direction on the positive side in FIG. 3).
  • the wiring portion 124 is bent from the end portion of the wiring portion 123 and extends in a direction opposite to the extending direction of the wiring portion 122 (Y direction on the negative side in FIG. 3) (Y direction on the positive side in FIG. 3). Wiring.
  • a one-turn coil is formed by the wirings 121 to 124.
  • the wiring part 121 and the wiring part 123 are arranged in parallel, and the wiring part 122 and the wiring part 124 are arranged in parallel.
  • the wiring portions 114 are provided with steps at both ends so that the wiring portions 111 to 114 and 121 to 124 do not cross each other, and the height in the Z-axis direction of the portion parallel to the Y-axis direction is the same as that of the other wiring portions. It is formed to be lower than the height in the Z-axis direction.
  • the wiring portions 111 to 114 and 121 to 124 forming the coil 11 and the coil 12 from the lead wire 131 to the lead wire 132 are not branched, and are connected by connecting the prismatic wires that are one straight line.
  • the coils 11 and 12 are formed.
  • the wiring of the coils 11 and 12 may be a single conducting wire, or may be formed by twisting a plurality of conducting wires.
  • the wiring portions 111, 112, 113, 121 to 124 are formed on the same plane. Thereby, the coil 11 and the coil 12 are arranged in the position adjacent on the same plane. Further, the wiring portions 111, 113, 121, and 123 along the longitudinal direction of the coil 10 are arranged in parallel to each other.
  • the wiring inside the coil 11 becomes the wiring portion 111 and the wiring outside the coil 11 becomes the wiring portion 113. Further, the wiring inside the coil 12 becomes the wiring part 121, and the wiring outside the coil 11 becomes the wiring part 123.
  • the winding direction of the coil 11 is a counterclockwise direction
  • the winding direction of the coil 12 is a clockwise direction. That is, the winding direction of the coil 11 and the winding direction of the coil 12 are opposite to each other.
  • the wiring portion 121 has a positive side in FIG.
  • a current flows in the X-axis direction
  • a current flows in the wiring portion 113 in the negative X-axis direction in FIG. 3
  • the magnetic body 20 is a surface on the opposite side to the facing surface facing the coil 20 on the power receiving side, out of a pair of surfaces (surfaces having the Z direction as a normal line) which are upper and lower surfaces of the coil 10. It is provided above.
  • the magnetic body 20 is made of a magnetic material such as iron (electromagnetic steel) and is formed in a plate shape.
  • the magnetic body 20 is disposed from below the coil surfaces of the coils 11 and 12 so as to cover the coil surfaces with a predetermined interval.
  • the length from the center line A of the coil on the power transmission side to the wiring portions 113 and 123 outside the coils 11 and 12 is L Co. Also in the cross section of the YZ plane, the length from the center line A of the power receiving coil 40 to the outer edge of the magnetic body 20 (the longitudinal direction of the side of the magnetic body 20) and L F. In this example, between the L F and L Co, holds the relationship of Equation (1) below.
  • the shielding plate 30 is provided on the surface opposite to the facing surface facing the coil 10 among the pair of surfaces which are the upper and lower surfaces of the magnetic body 20.
  • the shielding plate 30 is a conductor such as aluminum and is formed in a plate shape.
  • the shielding plate 30 is disposed on the lower surface of the magnetic body 20.
  • the shielding plate 30 is formed to be wider than the coil 10 and the magnetic body 20 in a plane parallel to the plane including the coil surface of the coil 10. In other words, the area of the facing surface of the shielding plate 30 facing the magnetic body 20 is larger than the area of the facing surface of the magnetic body 20 facing the shielding plate 30.
  • the coil 40 is provided in a vehicle chassis.
  • the shape of the coil 40 is the same as that of the coil 10 and is reduced.
  • the magnetic body 50 is disposed on the upper surface of the coil 40 with a predetermined interval.
  • the shielding plate 60 is disposed on the upper surface of the magnetic body 50 and is provided on the chassis of the vehicle. And if the vehicle provided with the coil 40 travels on the road on which the coil 10 is disposed, the coil 40 moves relative to the coil 10 while keeping a predetermined interval.
  • AC power is supplied to the coil 10 from a power source (not shown), and when the coil 40 is disposed on the upper side of the coil 10, power is supplied from the coil 10 to the coil 40 in a non-contact manner.
  • a battery (not shown) provided in the vehicle is charged with the supplied power.
  • the coupling coefficient and the leakage magnetic flux when the non-contact power feeding device of this example is applied to a vehicle will be described.
  • the non-contact power feeding device in order to increase the power supplied to the secondary side, it is required to improve the power transmission efficiency and reduce the influence of the magnetic flux to the outside.
  • the magnetic coupling between the coil 10 and the coil 40 in order to improve power transmission efficiency, the magnetic coupling between the coil 10 and the coil 40 must be increased.
  • the Q value is expressed by the following equation (3) using the angular frequency ( ⁇ ), the self-inductance (L), and the resistance value (R). From equation (3), the transmission efficiency can be improved by increasing the self-inductance (L) or decreasing the resistance value (R).
  • the contactless power supply device of the present example compares the coil 10 on the ground side with the coil 40 on the vehicle side with respect to the traveling direction of the vehicle in order to supply power to the vehicle side during traveling or stopping. And is configured to be very long. This is because when the ground-side coil is made small, the plurality of coils are matched to the length of the vehicle, and the plurality of coils are arranged, the number of inverters controlling each coil increases. It is. On the other hand, when the ground-side coil 10 is made very long compared to the vehicle-side coil 40, the following problems occur.
  • the coupling coefficient ⁇ which is the ratio of the interlinkage magnetic flux between the coils 10 and 40, and the magnetic flux generated from the coil is greatly reduced, and the power transmission efficiency is deteriorated. Further, when the coupling coefficient ( ⁇ ) is 0.02 or less, the control becomes difficult, and the counterpart coil 40 may not be detected.
  • the present invention suppresses a decrease in the coupling coefficient by configuring the coil 10 as described above.
  • FIG. 4 is a plan view of the coil according to the first comparative example.
  • FIG. 5 is a graph showing the characteristics of the coupling coefficient ( ⁇ ) with respect to the positional deviation amount (Y / 2L F ) between the coils.
  • the coil for power transmission of Comparative Example 1 has the same length in the longitudinal direction and the length in the width direction as the coil 10, but unlike this example, the inner wirings intersect at the center point of the coil. It is configured as follows. That is, in this example, when the power receiving side coil 40 moves relative to the power transmitting side coil in the longitudinal direction of the coil, the power transmitting coil 10 of this example faces the power receiving side coil 40.
  • the surface area (the area where the coil 10 and the coil 40 overlap when viewed in the Z direction) does not change, but in the power transmission coil of Comparative Example 1, the area increases or decreases.
  • the length in the width direction of the coil 10 the magnitude of the positional deviation with respect to (2L F) defined by Y / 2L F the ratio of (Y) as the position deviation amount, positional deviation amount of the present invention (Y / 2L F)
  • the coupling coefficient ( ⁇ ) for is represented in FIG.
  • a graph a shows the characteristics of the coil of this example shown in FIG.
  • Graph b shows that the shape of the coil on the power transmission side is formed so that the inner wiring portion and the outer wiring portion are parallel to each other as in this example. It is wider than the coil 10 of the example. That is, the wiring inside the coil in the graph b is represented as a dotted line in FIG.
  • the coupling coefficient ( ⁇ a ) when the amount of misalignment of the coil (Y / 2L F ) is 0.1, in this example, the coupling coefficient ( ⁇ a ).
  • the positional deviation amount (Y / 2L F ) remains 0.1 and does not change. since the unchanged area opposed to the 40, the coupling coefficient remains kappa a.
  • Comparative Example 1 shown in FIG. 4 the amount of misalignment of the coil (Y / 2L F ) is 0.1, and the coil on the power receiving side is the end in the longitudinal direction (FIG. 4 If it is the arrangement on the part) of B, the coupling coefficient becomes kappa b.
  • Comparative Example 1 when the coil 40 on the power receiving side moves in the longitudinal direction (X direction) of the coil, the positional deviation amount (Y / 2L F ) remains 0.1 and remains the same. and since the change is opposed area between the coil 40, the coupling coefficient is changed, the value different from the kappa b. For example, when the coil on the power receiving side is arranged on the coil shown in FIG.
  • the coupling coefficient is ⁇ a become. That is, the coupling coefficient ( ⁇ ) of Comparative Example 1 changes so as to move between graph a and graph b shown in FIG.
  • the coupling coefficient can be kept constant with respect to the longitudinal movement of the coil, but in Comparative Example 1, the coupling coefficient cannot be kept constant.
  • an inverter (not shown) connected to the coil on the power transmission side is based on a predetermined coupling coefficient ( ⁇ ).
  • ⁇ a predetermined coupling coefficient
  • the complexity of the feedback control of the duty ratio and the drive voltage ratio is avoided when the output power is made constant. can do.
  • the shape of the opposing coil does not change greatly with respect to the relative movement in the longitudinal direction of the coil, generation of harmonics can be suppressed.
  • the wiring portions 111 and 113 forming the coil 11 and the wiring portions 121 and 123 forming the coil 12 are arranged in parallel, and the current flowing through the wiring portions 111 and 121 is connected to the wiring portions 113 and 123.
  • the coils 11 and 12 are configured to be opposite to the current flowing through As a result, the amount of change in the coupling coefficient with respect to the relative movement of the coil 10 and the coil 40 in the parallel direction of the wiring portions 111, 113, 121, 123 (coil longitudinal direction) or the positional deviation between the coils is reduced. Therefore, the coupling coefficient can be prevented from being lowered, and the power supply efficiency can be improved.
  • one end portion of both ends of the wiring portions 111 and 113 is made conductive by the wiring portion 112, and one end portion of both ends of the wiring portions 121 and 123 is made conductive by the wiring portion 122, and the wiring portion 113 is connected.
  • the other end portion of the wiring portion 121 and the other end portion of the wiring portion 121 are electrically connected by the wiring portion 114.
  • this example is provided with the magnetic body 20 on the surface on the opposite side to the surface on the power transmission side with respect to the coil 40 among the pair of surfaces of the coils 11 and 12. Thereby, magnetic flux density can be raised.
  • the distance (L F ) from the center line A to the outer edge of the magnetic body 20 is equal to or longer than the distances (L Co ) from the center line A to the wiring portions 113 and 123.
  • the magnetic flux generated in the coil 10 directly enters the shielding plate 30 and an eddy current is generated, thereby increasing the leakage magnetic flux.
  • the generation of eddy currents in the shielding plate 30 can be suppressed, and the leakage flux can be reduced.
  • the shielding plate 30 is provided on the surface on the opposite side to the facing surface of the magnetic body 20 facing the coils 11 and 12 among the pair of surfaces of the magnetic body 20. Thereby, the leakage magnetic flux from the coil 10 to the outside can be prevented.
  • this example may be applied not only to the coil 10 on the power transmission side but also to the coil 40 on the power reception side.
  • the coils 11 and 12 correspond to the “first coil” and the “second coil”
  • the wiring portions 111 and 121 correspond to the “first wiring portion” and the “third wiring portion”
  • the wiring portions 113 and 123 respectively.
  • FIG. 6 is a plan view of a coil on the power transmission side of a non-contact power feeding apparatus according to another embodiment of the invention.
  • the shape of the coil on the XY plane is different from that of the first embodiment described above. Since the configuration other than this is the same as that of the first embodiment described above, the description thereof is incorporated as appropriate.
  • the coil 11 is a coil wound three times counterclockwise on the plane of the XY plane.
  • the coil 12 is a coil wound three times in the clockwise direction on the plane of the XY plane.
  • the three coils constituting the coils 11 and 12 are each formed in a rectangular shape, and are formed so that the area of the coil surface located in the radial direction of the coil 11 increases.
  • the wires forming the three coils 11 and 12 are the lengths of the coils 11 and 12.
  • the wirings formed so as to be parallel to the direction (X direction) and conducting these wirings are formed so as to be parallel to the width direction of the coils 11 and 12 (Y direction).
  • the wirings of the three coils constituting the coils 11 and 12 are not branched, and are formed by connecting prismatic wirings that are one straight line.
  • One end of the coil 11 is connected to the lead wire 131, and one end of the coil 12 is connected to the lead wire 132.
  • the other end of the coil 11 and the other end of the coil 12 are electrically connected by a conducting part 134.
  • the conduction part 134 is a wiring arranged so as to be parallel to the width direction of the coils 11 and 12. Further, the conducting part 134 is covered with an insulating member 140.
  • the coil 11 is wound three times, and then the end of the coil 11 is connected to the end of the coil 12 via the conductive portion 134.
  • the coils 11 and 12 are configured so as to be connected to the lead wire 132 after being wound around the coil 12 three times.
  • FIG. 7 is a plan view of a coil according to Comparative Example 2.
  • the coils 11 and 12 are each wound three times. However, in Comparative Example 2, after being wound once by the coil 11, it is connected to the coil 12 via the wiring, and after being wound once by the coil 12, it is connected to the coil 11 via the wiring. Again, the coil 11 is wound once and connected to the coil 12 via the wiring, and such a connection form is continued until the number of turns of the coils 11 and 12 becomes three each.
  • the wiring connecting the left coil 11 and the right coil 12 is a portion that does not contribute to power supply. Further, in order to reduce copper loss due to the wiring length and to suppress generation of an unnecessary magnetic field, it is better to reduce the wiring connecting the coil 11 and the coil 12 in the Y direction in FIGS. Therefore, in this example, unlike the comparative example, since the number of wires for connecting the coil 11 and the coil 12 is small, copper loss can be reduced and generation of an unnecessary magnetic field can be suppressed.
  • the driving frequency of the non-contact power feeding device of this example is assumed to be several tens to several hundreds kHz, and in this frequency band, when the coil 11 and the coil 12 are adjacent to each other as shown in FIG. As a result, coil resistance increases and loss may increase.
  • the conductive member 134 that conducts the end of the coil 11 and the end of the coil 12 is covered with the insulating member 140, the proximity effect is ensured while ensuring the insulation distance between the coil 11 and the coil 12. Can be suppressed.
  • FIG. 8 is a plan view of a power transmission unit of a non-contact power feeding device according to another embodiment of the invention.
  • a part of the shape of the magnetic body 20 is different from the second embodiment described above. Since the configuration other than this is the same as that of the second embodiment described above, the description thereof is incorporated as appropriate.
  • the magnetic body 20 is provided on the surface of the coils 11, 12 on the surface opposite to the facing surface facing the coil 40 on the power receiving side. As shown in FIGS. 9 and 10, the magnetic body 20 is formed with a concave portion 29 in which a facing surface facing the coils 11, 12 of the surface of the magnetic body 20 is recessed.
  • FIG. 9 is a plan view of the magnetic body 20, and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
  • the recess 29 is a groove formed to accommodate the insulating member 140.
  • the thickness is increased by the amount of the insulating member 140 compared to other wiring parts. Therefore, in this example, in order to absorb this thickness, the magnetic body 20 is provided with the recess 29 and the insulating member 140 is disposed in the recess 29. Thereby, the coil 10 can be made thin. Moreover, it can prevent that the shape of the insulating member 140 becomes complicated because the protrusion is generated in the wiring.
  • FIG. 11 is a perspective view of a non-contact power feeding device according to another embodiment of the invention.
  • 12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG.
  • the configuration of the power receiving unit 200 is different from the first embodiment described above.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment described above, and the descriptions of the first to third embodiments are incorporated as appropriate.
  • the coil 40 on the power receiving side has the same shape as the coil 10 on the power transmission side, and is formed such that the lengths in the longitudinal direction and the length in the width direction of the coils 10 and 40 are equal.
  • a magnetic body 50 is provided on the surface of the coil 40 on the surface opposite to the facing surface facing the coil 10.
  • the magnetic body 50 is a plate-like member.
  • the magnetic body 50 is disposed along the coil surface of the coil 40 with a predetermined distance from the surface of the coil 40.
  • the length of the magnetic body 50 in the width direction is formed to be equal to the length of the coil 40 in the width direction.
  • the length of the magnetic body 50 in the longitudinal direction is formed so as to be shorter than the length in the longitudinal direction of the coil 40 by the amount of the wiring along the width direction of the coil 40. That is, the magnetic body 50 is formed so as to substantially cover the coil surface of the coil 40 on the XY plane.
  • the shielding plate 60 is provided on the surface of the magnetic body 50 opposite to the surface facing the coil 40.
  • the magnetic body 60 is a plate-like member.
  • the shielding plate 60 is disposed along the surface of the magnetic body 50, and the shielding plate 60 is disposed so as to overlap the magnetic body 50 on the surfaces.
  • the length in the width direction of the shielding plate 60 is formed to be longer than the length in the short side direction of the coil 40 and the magnetic body 50.
  • the length of the shielding plate 60 in the longitudinal direction is formed to be substantially the same as the length of the coil 40 and the magnetic body 50 in the longitudinal direction.
  • the coil 10, the magnetic body 20, and the shielding plate 30 on the power transmission side have the same configuration as the coil 40, the magnetic body 50, and the shielding plate 60 on the power receiving side, but the length of the shielding plate 30 in the width direction is the shielding plate 60. It is formed to be longer than the length in the width direction.
  • the distance between the coils 10 and 20 in the Z direction is about the distance between the vehicle chassis and the ground.
  • FIG. 13 shows the case where the shielding plates 30 and 60 are not provided (a), the shielding plates 30 and 60 are provided, and the interval between the shielding plates 30 and 60 and the magnetic bodies 20 and 50 is 40 mm (b).
  • the leakage magnetic flux can be reduced by providing the shielding plates 30 and 60 as compared to the case where the shielding plates 30 and 60 are not provided. Further, as the shielding plates 30 and 60 are moved closer to the magnetic bodies 20 and 50 in the Z direction, the leakage magnetic flux is reduced and the coupling coefficient is increased. Furthermore, when the shielding plates 30 and 60 and the magnetic bodies 20 and 50 are overlapped, the leakage magnetic flux is most reduced and the coupling coefficient is increased.
  • the present invention extends from the center line A to the outer edges of the shielding plates 30 and 60 in the normal direction of the plane in which the coils 11 and 12 are arranged and the cross section (YZ plane) along the width direction of the coils 11 and 12. Is equal to or longer than the distance from the center line A to the outer edges of the magnetic bodies 20 and 40, and the surfaces of the magnetic bodies 20 and 50 and the surfaces of the shielding plates 30 and 60 overlap each other. Thereby, this example can increase a coupling coefficient, reducing leakage magnetic flux.
  • the coils 10 and 40 have substantially the same shape, and are arranged so that the coil surfaces face each other. Thereby, since the magnetic flux generated from one coil can be received by the other coil, the flux linkage can be increased.
  • FIG. 14 is a plan view of a power transmission unit of a non-contact power feeding device according to another embodiment of the invention. This example is different from the third embodiment described above in that the coil on the power transmission side is formed with a substrate pattern. Other configurations are the same as those of the third embodiment described above, and the descriptions of the first to fourth embodiments are incorporated as appropriate.
  • the coils 11 and 12 are formed of two layers of substrates 71 and 72.
  • the coil 11 and the coil 12 have a two-layer structure with a height along the normal direction of the coil surface.
  • the conductive portion 134 is formed in the first layer, and the wiring portion other than the conductive portion 134 is formed in the second layer. To do. These wiring portions are formed on the same plane.
  • the substrate 71 is a substrate on which the first-layer conductive portion 134 is formed, and connection portions 135 and 136 for connecting to the through holes 711 and 712 are formed at both ends of the conductive portion 134.
  • the substrate 72 is a substrate on which a wiring portion other than the conductive portion 134 is formed, and through holes 711 and 712 are formed at positions corresponding to both ends of the conductive portion 134. Then, by superimposing the substrate 71 and the substrate 72 and making the through-hole 711 and the connection portion 135 and the through-hole 712 and the connection portion 135 bear-connected, the coil 11 and the coil 12 are connected via the conduction portion 134. Connected.
  • this example includes the substrate 72 having the coils 11 and 12 and the substrate 71 having the conducting portion 134 for conducting the coils 11 and 12, and the substrates 71 and 72 are laminated.
  • the coil of the same shape can be easily created by creating the coil with the substrate pattern.
  • the above substrate 71 corresponds to a “first substrate” according to the present invention
  • the substrate 72 corresponds to a “second substrate” according to the present invention.

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Abstract

送電コイルと充電コイルとの間で、非接触で磁気的な結合により電力を供給する非接触給電装置において送電コイルまたは受電コイルの少なくとも何れか一方のコイルは、矩形状のコイル面をもち、同一平面上に並べられ、かつ、互いの配線の少なくとも一部を隣接させた第１コイル及び第２コイルとを有し、第１コイル及び第２コイルは互いに平行に配置された４本の配線部１１１、１１３、１２１、１２３を有し、４本の配線部のうち、内側に配置された２本の配線部１１１、１２１を流れる電流が、外側に配置された２本の配線部１１３、１２３を流れる電流に対して逆向きである。

Description

非接触給電装置
　本発明は、非接触給電装置に関するものである。
　本出願は、２０１２年３月８日に出願された日本国特許出願の特願２０１２―５１６１１に基づく優先権を主張するものであり、文献の参照による組み込みが認められる指定国については、上記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の記載の一部とする。
　鉄道車両用非接触給電システムにおいて、軌道上に敷設される鉄道レール間に配置される８の字形状の給電コイルと、この給電コイルに給電する高周波電源と、前記鉄道レールを走行する鉄道車両の底部に配置され、前記８の字形状の給電コイルに走行時に対向する８の字形状の集電コイルと、この集電コイルに接続されるコンバータと、このコンバータに接続される充電式電池とを備え、前記給電コイルに対する前記集電コイルの相対的移動により前記集電コイルからの出力を前記充電式電池に充電するようにしたものが知られている（特許文献１）。
特開２０１０－１２５９７４号公報
　しかしながら、上記の給電コイルは、８の字形状コイルを形成する内側の配線同士が、８の字形状コイルの中心点で交差しているため、集電コイルの移動に伴い、結合係数の変化量が大きく、給電効率が低下するという問題があった。
　本発明が解決しようとする課題は、給電効率の低下を抑制する非接触給電装置を提供することである。
　本発明は、送電コイルまたは受電コイルの少なくとも何れか一方のコイルは、互いに平行に配置された４本の配線部を有し、当該４本の配線部のうち、内側に配置された２本の配線部を流れる電流が、外側に配置された２本の配線部を流れる電流に対して逆向きになるよう、コイルを構成することによって上記課題を解決する。
　本発明は、送電コイルに対する受電コイルの相対的な位置が、４本の配線部の平行方向に移動した場合に、コイル面のうちコイル間で対向している部分の大きさが変化しにくいため、結合係数の変化量を抑制し、給電効率の低下を抑制することができる。
本発明の実施形態に係る非接触給電装置の斜視図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 図１のコイルの平面図である。 比較例に係るコイルの平面図である。 コイル間の位置ずれ量（Ｙ／２ＬＦ）に対する結合係数（κ）の特性を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の送電側のコイルの平面図である。 比較例に係るコイルの平面図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の送電部の平面図である。 図８の磁性体の平面図である。 図９のX-X線に沿う断面図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の斜視図である。 図１２のXI-XI線に沿う断面図である。 図１１の磁性体と遮蔽板との間の間隔に対する結合係数及び磁束密度の特性を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の導電側のコイルの平面図である。 図１のコイルを形成する基板の平面図である。 図１のコイルを形成する基板の平面図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
　図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電装置の斜視図である。図２は、図１のII-II線に沿う断面のうち、送電側の構成を示す断面図である。本例の非接触給電装置は、例えば、車両に搭載されたバッテリに対して非接触で充電する装置として用いられる。以下、本例の非接触給電装置を車両用の給電装置として適用した例を説明するが、車両以外の他の装置に適用してもよい。なお、図２の点線の矢印は磁束の流れを表している。
　非接触給電装置は、送電部１００と受電部２００とを備えている。送電部１００は地上側に設けられ、受電部２００は車両側に設けられる。送電部１００は、コイル１０と、磁性体２０と、遮蔽板３０とを備えている。コイル１０は、受電部２００の受電用のコイル４０との間で、非接触で磁気的な結合により電力を供給する送電コイルである。コイル１０は、道路などの地上に設けられ、コイル１０の幅方向の長さは、車両の車幅より短い。
　ここで、図２及び図３を用いて、コイル１０の構成を説明する。図３はコイル１０の平面図である。コイル１０は、図３の紙面上で右側に配置されたコイル１１と、左側に配置されたコイル１２とを有し、コイル１１及びコイル１２は同一平面上で並べられている。コイル１１は、矩形状のコイル面をもち、当該コイル面で１回、巻回されている。コイル１２は、コイル１１と同形状で、矩形状のコイル面をもち、当該コイル面で１回、巻回されている。またコイル１１とコイル１２は隙間を空けつつ、互いに隣接している。コイル１１及びコイル１２は８の字形状に巻回されている。なお、コイル面は、配線により１巻のコイルが形成される面を示し、後述するように本例では、配線の一部に段差を設けているため、当該段差による高さを含めてコイル面としてもよい。
　コイル１０の全体は、上記のコイル面と同一面上でみた時に、短辺及び長辺をもった矩形状になるように形成されている。また短辺に対して長辺は十分に長くなっている。そして、当該同一面上でみたときに、コイル１０の短辺の中央部分に、コイルの引出線１３１、１３２が設けられている。引出線１３１とコイル１１とを導通するための配線部１３３は、引出線１３１から屈曲して、コイル１０の短辺に沿うよう当該短辺の中心部分まで形成され、引出線１３１から延在した配線である。
　ここで、コイル１０の長手方向（コイル１０の長辺に沿う方向）をＸ方向とし、コイル１０の幅方向（コイル１０の短辺に沿う方向）をＹ方向とし、コイル１０のコイル面の法線方向をＺ方向とする。
　コイル１１は、配線部１１１～１１４を有している。配線部１１１は、配線部１３３の端部からコイル１０の長辺方向（図３の負側のＸ方向）に屈曲して、当該端部から延在した配線である。配線部１１２は、配線部１１１の端部からコイル１０の短辺方向（図３の正側のＹ方向）に屈曲して、コイル１１を形成するよう、当該端部から延在した配線である。配線部１１３は、配線部１１２の端部からコイル１０の長辺方向（図３の正側のＸ方向）に屈曲し、配線部１１１の延在方向（図３の負側のＸ方向）と反対側の方向（図３の正側のＸ方向）で、配線部１１１と平行な方向に延在した配線である。配線部１１４は、配線部１１３の端部から屈曲し、配線部１１２の延在方向（図３の正側のＹ方向）と反対側の方向（図３の負側のＹ方向）に延在した配線である。これにより、配線１１１～１１４で、１回巻のコイルが形成される。配線部１１１と配線部１１３は平行に配置され、配線部１１２と配線部１１４は平行に配置されている。
　すなわち、配線部１１１、１１３の両端のうち一方の端部は配線部１１２により導通されている。また、配線部１２１、１２３の両端のうち一方の端部は配線部１２２により導通されている。また、配線部１１３の他方の端部と配線部１２１の他方の端部は配線部１１４により導通されている。また、配線部１１１の他方の端部と配線部１２３の他方の端部は、引出線１３１、１３２を介して電気的に接続されている。
　コイル１２は、配線部１２１～１２４を有している。配線部１２１は、配線部１１４の端部からコイル１０の（図３の負側のＸ方向）に屈曲して、当該端部から延在した配線である。配線部１２２は、配線部１２１の端部からコイル１０の短辺方向（図３の負側のＹ方向）に屈曲して、コイル１２を形成するよう、当該端部から延在した配線である。配線部１２３は、配線部１２２の端部からコイル１０の長辺方向（図３の正側のＸ方向）に屈曲し、配線部１２１の延在方向（図３の負側のＸ方向）と反対側の方向（図３の正側のＸ方向）で、配線部１２１と平行な方向に延在した配線である。配線部１２４は、配線部１２３の端部から屈曲し、配線部１２２の延在方向（図３の負側のＹ方向）と反対側の方向（図３の正側のＹ方向）に延在した配線である。これにより、配線１２１～１２４で、１回巻のコイルが形成される。配線部１２１と配線部１２３は平行に配置され、配線部１２２と配線部１２４は平行に配置されている。
　各配線部１１１～１１４、１２１～１２４が互いに交差しないように、配線部１１４は、両端に段差を設け、Ｙ軸方向に平行な部分のＺ軸方向への高さが、他の配線部のＺ軸方向の高さより低くなるよう形成されている。また引出線１３１から引出線１３２までのコイル１１及びコイル１２を形成する配線部１１１～１１４、１２１～１２４は、分岐しておらず、一本の直線である角柱状の配線をつなぎ合わせることで、コイル１１、１２が形成されている。なお、コイル１１、１２の配線は、一本の導線でもよく、あるいは複数の導線を捻ることで形成されてもよい。
　また、配線部１１１、１１２、１１３、１２１～１２４は、同一平面上に形成されている。これにより、コイル１１とコイル１２が同一平面上で隣接する位置で並べられている。また、コイル１０の長手方向に沿った配線部１１１、１１３、１２１、１２３は互いに平行に配置されている。
　図２に示すように、ＹＺ面の断面において、コイル１１の内側の配線が、配線部１１１となり、コイル１１の外側の配線が配線部１１３となる。また、コイル１２の内側の配線が配線部１２１となり、コイル１１の外側の配線が配線部１２３となる。
　コイル１１の巻回方向は反時計回りの方向であり、コイル１２の巻回方向は時計回りの方向である。すなわち、コイル１１の巻回方向とコイル１２の巻回方向は互いに逆方向になっている。引出線１３２から引出線１３１に電流を流すと、ある時刻において、配線部１２３に図３の負側のＸ軸方向に電流が流れた場合には、配線部１２１には図３の正側のＸ軸方向に電流が流れ、配線部１１３には図３の負側のＸ軸方向に電流が流れ、配線部１１１には図３の正側のＸ軸方向に電流が流れる。すなわち、配線部１１１、１１３、１２１、１２３のうち、内側に配置された配線部１１１、１２１を流れる電流が、外側に配置された配線部１１３、１２３を流れる電流に対して逆向きになる。
　図１、２に戻り、磁性体２０は、コイル１０の上下面である一対の表面（Ｚ方向を法線とする表面）のうち、受電側のコイル２０と対向する対向面と反対側の表面上に設けられている。磁性体２０は、鉄（電磁鋼）などの磁性材料で、板状に形成されている。磁性体２０はコイル１１、１２のコイル面の下方から、所定の間隔を空けつつ、当該コイル面を覆うように配置されている。
　ＹＺ面の断面において、送電側のコイルの中心線Ａから、コイル１１、１２の外側の配線部１１３、１２３までの長さをＬＣｏとする。またＹＺ面の断面において、受電側のコイル４０の中心線Ａから磁性体２０の外縁（磁性体２０の長手方向の辺）までの長さをＬＦとする。本例において、ＬＦとＬＣｏとの間には、以下の式（１）の関係が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　遮蔽板３０は、磁性体２０の上下面である一対の表面のうち、コイル１０と対向する対向面と反対側の表面上に設けられている。遮蔽板３０は、アルミニウムなどの導体で、板状に形成されている。遮蔽板３０は、磁性体２０の下面に配置されている。遮蔽板３０は、コイル１０のコイル面を含む平面と平行な平面において、コイル１０及び磁性体２０より広くなるよう形成されている。いいかえると、磁性体２０と対向する遮蔽板３０の対向面の面積は、遮蔽板３０と対向する磁性体２０の対向面の面積より大きい。
　次に、受電部２００について説明する。コイル４０は、車両のシャーシに設けられている。コイル４０の形状は、コイル１０と同様の形状で、縮小させた形になっている。磁性体５０は、コイル４０の上面に所定の間隔を空けて配置されている。遮蔽板６０は、磁性体５０の上面に配置されており、車両のシャーシに設けられている。そして、コイル４０を備えた車両が、コイル１０を配置された道路を走行すると、コイル４０がコイル１０に対して所定の間隔を空けつつ、相対的に移動する。
　コイル１０には、図示しない電源から交流電源が供給され、コイル１０の上側にコイル４０が配置されると、コイル１０からコイル４０へ、非接触で給電される。そして、車両に設けられたバッテリ（図示しない）が、給電された電力により充電される。
　ここで、本例の非接触給電装置を車両用に適用した場合における、結合係数及び漏れ磁束について説明する。非接触給電装置において、二次側への供給電力を高くするには、送電効率の向上と外部への磁束の影響を低減させることが求められる。そして、本例のような非接触で磁気的な結合により電力を供給する方式では、送電効率を向上させるためには、コイル１０とコイル４０との間の磁気結合を高めなければならない。
　コイル１０、４０間の送電効率をη、結合係数をκとするとコイルのＱ値との間には、以下の式（２）の関係が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　そして、式（２）より、送電効率を向上させるには、結合係数（κ）またはＱ値を高くすることが必要である。
　またＱ値は、角周波数（ω）、自己インダクタンス（Ｌ）、抵抗値（Ｒ）を用いて、以下の式（３）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　式（３）より、自己インダクタンス（Ｌ）の増加または抵抗値（Ｒ）の低減させることで、送電効率を向上することができる。
　上記のように本例の非接触給電装置は、走行中または停止中、車両側に電力を供給するために、車両の進行方向に対して、地上側のコイル１０を車両側のコイル４０と比較して非常に長くなるように構成されている。これは、地上側のコイルを小さくして、複数のコイルを車両の長さに合わせ、複数のコイルを配列した場合には、各コイルを制御するインバータの数が多くなる、という問題があるためである。その一方、地上側のコイル１０を車両側のコイル４０と比較して非常に長くした場合には、以下の問題が発生する。
　第一に、コイル１０、４０間の鎖交磁束とコイルから発生する磁束の比である結合係数κが大幅に低下し、送電効率が悪化する。また、結合係数（κ）が０．０２以下となると制御が困難になり、相手コイル４０を検出することができない場合がある。
　第二に、地上側のコイル１０が発生する磁束のほとんど（約９０%以上）が車両側のコイル４０を鎖交せず漏れ磁束となってしまい、磁気ガイドラインや電波法をクリアすることが困難になる。
　そのため、本発明は、上記のように、コイル１０を構成することで、結合係数の減少を抑制する。
　次に、図２～図５を用いて、比較例１のコイルと本実施形態に係るコイルの結合係数（κ）について、説明する。図４は比較例１に係るコイルの平面図を示す。図５は、コイル間の位置ずれ量（Ｙ／２ＬＦ）に対する結合係数（κ）の特性を示すグラフである。
　比較例１の送電用のコイルは、長手方向の長さ及び、幅方向の長さは、コイル１０と同じ長さであるが、本例と異なり、内側の配線がコイルの中心点で交差するように構成されている。すなわち、本例では、受電側のコイル４０が送電側のコイルに対して、コイルの長手方向に相対的に移動した場合に、本例の送電用のコイル１０では、受電側のコイル４０と対向する面の面積（Ｚ方向でみたときに、コイル１０とコイル４０が重なる部分の面積）は変化しないが、比較例１の送電用のコイルでは、当該面積が増減することになる。
　非接触給電装置のＹＺ面の断面において、送電側のコイルの中心線Ａから、コイル１１、１２の外側の配線部１１３、１２３までの長さをＬＦとし、送電側のコイル１０に対する受電側のコイル４０の位置ずれの大きさをＹとする。ＹＺ面において、送電コイル１０の中心点と受電側のコイル４０の中心点が中心軸Ａ上にある場合には、Ｙ＝０となる。そして、コイル１０の幅方向の長さ（２ＬＦ）に対する位置ズレの大きさ（Ｙ）の割合を位置ズレ量としてＹ／２ＬＦで規定し、本発明の位置ずれ量（Ｙ／２ＬＦ）に対する結合係数（κ）は、図５で表される。
　なお図５において、グラフａは、図３で示した本例のコイルの特性を示している。また、グラフｂは、送電側のコイルの形状は、本例のように、内側の配線部及び外側の配線部をそれぞれ平行になるように形成されているが、内側の配線部の間隔が本例のコイル１０よりも広くなっている。すなわち、グラフｂのコイルの内側の配線は図４の点線のように表される。
　例えば、コイルの位置ずれ量（Ｙ／２ＬＦ）が０．１である場合に、本例では結合係数（κａ）である。そして、本例において、受電側のコイル４０がコイルの長手方向（Ｘ方向）に移動した場合には、位置ずれ量（Ｙ／２ＬＦ）は０．１のままで変わらず、コイル１０とコイル４０との対向する面積も変わらないため、結合係数はκａのままである。
　一方、図４に示す比較例１において、コイルの位置ずれ量（Ｙ／２ＬＦ）が０．１であって、受電側のコイルが、送電側のコイルにおいて、長手方向の端部（図４のＢの部分）上に配置された場合には、結合係数はκｂになる。そして、比較例１において、受電側のコイル４０がコイルの長手方向（Ｘ方向）に移動した場合には、位置ずれ量（Ｙ／２ＬＦ）は０．１のままで変わらないが、コイル１０とコイル４０との対向する面積が変わるため、結合係数は変化し、κｂと異なる値になる。例えば、受電側のコイルが、図４に示すコイル上で、図３の配線部１１１、１２１間の幅の長さと同じ長さの幅の部分に配置された場合には、結合係数はκａになる。すなわち、比較例１の結合係数（κ）は、図５に示す、グラフａとグラフｂとの間で移動するように変化する。
　以上のように、本例では、コイルの長手方向の移動に対して、結合係数を一定に保つことができるが、比較例１では結合係数を一定に保つことができない。
　また、非接触給電装置の制御において、送電側のコイルからの出力を一定にする場合には、所定の結合係数（κ）に基づいて、送電側のコイルに接続されるインバータ（図示しない）に含まれるスイッチング素子のデューティ比やスイッチング素子の駆動電圧の比などを設定している。
　かかる制御において、結合係数が変動する場合には、結合係数を何らかの方法で検出した上で、検出値を、給電側のコントローラにフィードバックして、デューティ比や駆動電圧の比をフィードバック制御する必要がある。この時に、比較例１のように結合係数（κ）が連続的に変動する場合には、フィードバックのための制御系が複雑になるため、出力電力が安定しないという問題がある。また、出力電力が過渡に変動した場合には、受電側のバッテリ等への負荷が大きくなる、という問題もある。
　さらに、比較例１では、コイルの長手方向の相対的な移動に対して、受電側のコイルと対向している、送電側のコイルの対向部分のコイル形状が変わるため、受電側のコイルが受ける磁束が変化する。そのため、コイルの周囲の磁界が時間と共に変化することなり、高調波の発生の原因にもなる。
　本発明では、コイルの長手方向の相対的な移動に対して、結合係数の変動が抑制されるため、出力電力を一定にする際に、デューティ比や駆動電圧比のフィードバック制御の複雑化を回避することができる。また、コイルの長手方向の相対的な移動に対して、対向するコイルの形状が大きく変化しないため、高調波の発生を抑制することができる。
　上記のように、本発明は、コイル１１を形成する配線部１１１、１１３及びコイル１２を形成する配線部１２１、１２３を平行に配置し、配線部１１１、１２１に流れる電流が配線部１１３、１２３に流れる電流に対して逆向きになるように、コイル１１、１２を構成する。これにより、配線部１１１、１１３、１２１、１２３の平行方向（コイルの長手方向）へのコイル１０とコイル４０との相対的な移動またはコイル間の位置ずれに対して、結合係数の変化量が抑制されるため、結合係数の低下を防ぎ、給電効率を向上させることができる。また、当該の相対的な移動またはコイル間の位置ずれに対して、コイル４０と対向する、コイル１０の対向部分の形状の変化が抑制されるため、非接触給電装置の制御系が複雑になることを防ぎ、また、高調波の発生を抑制することができる。
　また本例は、配線部１１１、１１３の両端のうち一方の端部を配線部１１２により導通し、配線部１２１、１２３の両端のうち一方の端部を配線部１２２により導通し、配線部１１３の他方の端部と配線部１２１の他方の端部を配線部１１４により導通する。これにより、結合係数の低下を防ぎ、給電効率を向上させることができる。
　また、本例は、コイル１１、１２の一対の表面のうち、コイル４０に対して送電する側の表面に対して反対側の表面上に、磁性体２０を備える。これにより、磁束密度を高めることができる。
　また、本例は、ＹＺ断面において、中心線Ａから磁性体２０の外縁までの距離（ＬＦ）は、中心線Ａから配線部１１３、１２３までの距離（ＬＣｏ）以上である。これにより、配線部１１３、１２３で発生した短絡磁束のうち、磁性体２０の外縁に戻る磁束の量を多くすることができるため、漏れ磁束を減少させることができる。
　また本例と異なり、上記の関係を満たす磁性体２０を設けない場合には、コイル１０で発生した磁束が遮蔽板３０に直接入り、渦電流が発生することで、漏れ磁束が増加する。しかし、本例では、磁性体２０を設けることで、遮蔽板３０での渦電流の発生を抑制し、漏れ磁束を低減させることができる。
　また、本例は、磁性体２０の一対の表面のうち、コイル１１、１２と対向する磁性体２０の対向面に対して反対側の表面上に、遮蔽板３０を設ける。これにより、コイル１０から外部への漏れ磁束を防ぐことができる。
　なお本例は、送電側のコイル１０のみならず、受電側のコイル４０に適用してもよい。
　上記のコイル１１、１２が「第１コイル」及び「第２コイル」に相当し、配線部１１１、１２１が「第１配線部」及び「第３配線部」に相当し、配線部１１３、１２３が「第２配線部」及び「第４配線部」に相当する。
　《第２実施形態》
　図６は、発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の送電側のコイルの平面図である。本例では上述した第１実施形態に対して、ＸＹ面におけるコイルの形状が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を適宜、援用する。
　図６に示すように、コイル１１は、ＸＹ面の平面上において、反時計回りに３回、巻かれたコイルである。またコイル１２は、ＸＹ面の平面上において、時計回りに３回、巻かれたコイルである。また、コイル１１、１２を構成する３つのコイルは、それぞれ矩形状に形成されており、コイル１１の径方向に位置するコイル面ほど面積が大きくなるように形成されている。そして、コイル１１、１２の３つのコイルを形成する配線のうち、コイル１１、１２の内側に配置された配線、及び、コイル１１、１２の外側に配置された配線は、コイル１１、１２の長手方向（Ｘ方向）に平行になるよう形成され、これらの配線をそれぞれ導通する配線は、コイル１１、１２の幅方向に（Ｙ方向）に平行になるよう形成されている。
　また、コイル１１、１２を構成する３つのコイルの配線は、分岐しておらず、一本の直線である角柱状の配線をつなぎ合わせることで形成されている。コイル１１の一端は引出線１３１に接続され、コイル１２の一端は引出線１３２に接続されている。また、コイル１１の他端とコイル１２の他端は、導通部１３４により導通されている。導通部１３４は、コイル１１、１２の幅方向と平行になるよう配置された配線である。さらに導通部１３４は絶縁部材１４０により覆われている。
　また、コイル１１とコイル１２との接続用の配線の数を少なくするために、コイル１１で３回、巻回させた後、コイル１１の端部を、導通部１３４を介してコイル１２の端部に接続し、コイル１２で３回、巻回させた後、引出線１３２に接続するように、コイル１１、１２は構成されている。
　次に、比較例２のコイルの構成について、図７を用いて説明する。図７は比較例２に係るコイルの平面図である。比較例２では、本発明と同様に、コイル１１、１２でそれぞれ３回、巻回させている。しかし、比較例２では、コイル１１で１回、巻回させた後、配線を介してコイル１２に接続し、コイル１２で１回、巻回させた後、配線を介してコイル１１に接続し、再び、コイル１１で１回、巻回させて配線を介してコイル１２に接続させ、コイル１１、１２の巻数がそれぞれ３回になるまで、このような接続形態を続けている。
　本発明と比較例２とを比較すると、比較例２では、コイル１１とコイル１２とを接続するための配線（Ｙ方向に平行な配線）の数が多くなっている。一方、本発明では、１本の配線である導通部１３４で、コイル１１とコイル１２とを接続させている。
　コイル１０からコイル４０に給電する際に、磁束は、巻回されたコイルにより発生するため、左側のコイル１１と右側のコイル１２とを接続している配線は、給電に寄与しない部分である。また、配線長による銅損の低減及び不要な磁界の発生の抑制のために、図６、７のＹ方向へのコイル１１とコイル１２とを接続する配線は少なくする方がよい。そのため、本例では、比較例と異なり、コイル１１とコイル１２とを接続するための配線数が少ないため、銅損を低減させ、不要な磁界の発生を抑制することができる。
　さらに、本例の非接触給電装置の駆動周波数は数１０～数１００ｋＨｚを想定しており、当該周波数帯域では、図６に示すようにコイル１１とコイル１２とを隣接させた場合に、近接効果によりコイル抵抗が増加し、損失が増加するおそれがある。本例では、コイル１１の端部とコイル１２の端部とを導通する導通部１３４を絶縁部材１４０で覆っているため、コイル１１とコイル１２との間の絶縁距離を確保しつつ、近接効果を抑制することができる。
　《第３実施形態》
　図８は、発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の送電部の平面図である。本例では上述した第２実施形態に対して、磁性体２０の形状の一部が異なる。これ以外の構成は上述した第２実施形態と同じであるため、その記載を適宜、援用する。
　図８に示すように、コイル１１、１２の表面のうち、受電側のコイル４０と対向する対向面に対して反対側の表面には、磁性体２０が設けられている。図９及び図１０に示すように、磁性体２０には、磁性体２０の表面のうち、コイル１１、１２と対向する対向面を凹ませた凹部２９が形成されている。図９は磁性体２０の平面図であり、図１０は図９のX-X線に沿う断面図である。
　凹部２９は、絶縁部材１４０を収容するために形成された溝である。導通部１３４を絶縁部材１４０で覆った場合には、他の配線部と比較して、絶縁部材１４０の分だけ厚みが増す。そのため、本例では、この厚みを吸収するために、磁性体２０に凹部２９を設けて、絶縁部材１４０を凹部２９に配置する。これにより、コイル１０を薄くすることができる。また、配線に突起が生じることで、絶縁部材１４０の形状が複雑になることを防ぐことができる。
　《第４実施形態》
　図１１は発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の斜視図である。図１２は図１１のXII-XII線に沿う断面図である。本例では上述した第１実施形態に対して、受電部２００の構成が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１～第３実施形態の記載を適宜、援用する。
　受電側のコイル４０は、送電側のコイル１０と同形状のコイルであり、それぞれのコイル１０、４０の長手方向の長さ及び幅方向の長さが等しくなるよう形成されている。コイル４０の表面のうち、コイル１０と対向する対向面と反対側の表面上には、磁性体５０が設けられている。磁性体５０は板状の部材である。磁性体５０は、コイル４０の表面と所定の間隔を空けつつ、コイル４０のコイル面に沿うよう配置されている。磁性体５０の幅方向の長さはコイル４０の幅方向の長さと等しくなるよう形成されている。また磁性体５０の長手方向の長さは、コイル４０の長手方向の長さからコイル４０の幅方向に沿う配線の分、短くなるよう形成されている。すなわち、ＸＹ面において、磁性体５０はコイル４０のコイル面をほぼ覆うように形成されている。
　遮蔽板６０は、磁性体５０の表面のうち、コイル４０と対向する対向面と反対側の表面に設けられている。磁性体６０は板状の部材である。遮蔽板６０は磁性体５０の表面に沿うよう配置され、遮蔽板６０は磁性体５０と表面同士で重なり合うよう配置されている。遮蔽板６０の幅方向の長さは、コイル４０及び磁性体５０の短辺方向の長さより長くなるよう形成されている。遮蔽板６０の長手方向の長さはコイル４０及び磁性体５０の長手方向の長さとほぼ同じ長さになるよう、形成されている。
　送電側のコイル１０、磁性体２０及び遮蔽板３０は、受電側のコイル４０、磁性体５０及び遮蔽板６０と、同様の構成であるが、遮蔽板３０の幅方向の長さは遮蔽板６０の幅方向の長さより長くなるよう形成されている。なお、コイル１０、２０のＺ方向の間隔は、車両のシャーシと地上との間隔程度とする。
　上記の構成を、図１２を用いて説明する。図１２に示すように、ＹＺ面において、中心線Ａから磁性体２０、４０の外縁までの距離をＬＦとし、中心線Ａから遮蔽板３０の外縁までの距離をＬＡ１とし、中心線Ａから遮蔽板６０の外縁までの距離をＬＡ２とすると、の間には、以下の式（４）、（５）の関係が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　次に、図１３を用いて、遮蔽板３０、６０と、結合係数及び磁束密度との関係について説明する。図１３は、遮蔽板３０、６０を設けない場合（ａ）、遮蔽板３０、６０を設け、遮蔽板３０、６０と磁性体２０、５０との間隔を４０ｍｍ空けた場合（ｂ）、遮蔽板３０、６０を設け、遮蔽板３０、６０と磁性体２０、５０と重ねた場合（ｃ）における、結合係数及びコイル１０の中心点からＺ方向へ１ｍ地点での磁束密度の大きさを示すグラフである。磁束密度が大きいほど、漏れ磁束が大きいことになる。
　図１３に示すように、遮蔽板３０、６０を設けていない場合と比較して、遮蔽板３０、６０を設けることで漏れ磁束を低減することができる。また、遮蔽板３０、６０をＺ方向で磁性体２０、５０に近づけるほど漏れ磁束が低減し、結合係数が増加する。さらに、遮蔽板３０、６０と磁性体２０、５０とを重ね合わせると、最も漏れ磁束が低減し、結合係数が増加する。
　上記のように本発明は、コイル１１、１２が並べられた平面の法線方向及びコイル１１、１２の幅方向に沿う断面（ＹＺ面）において、中心線Ａから遮蔽板３０、６０の外縁までの距離は中心線Ａから磁性体２０、４０の外縁までの距離以上であり、磁性体２０、５０の表面と遮蔽板３０、６０の表面とが重なりあっている。これにより、本例は、漏れ磁束を低減しつつ、結合係数を増加させることができる。
　また本例はコイル１０及びコイル４０の形状をほぼ同じ形状にし、互いのコイル面が対向するように配置されている。これにより、一方のコイルから発生する磁束を他方のコイルで受け取ることができるため、鎖交磁束を増加させることができる。
　《第５実施形態》
　図１４は発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の送電部の平面図である。本例では上述した第３実施形態に対して、送電側のコイルを基板パターンで形成している点が異なる。これ以外の構成は上述した第３実施形態と同じであり、第１～第４実施形態の記載を適宜、援用する。
　コイル１１、１２は、２層の基板７１、７２により形成されている。コイル１１、コイル１２は、コイル面の法線方向に沿う高さで２層構造になっており、１層目に導通部１３４を形成し、２層目に導通部１３４以外の配線部を形成する。そして、これら配線部は同一平面上に形成される。基板７１は、１層目の導通部１３４が形成された基板であり、導通部１３４の両端の部分には、スルーホール７１１、７１２と接続するための接続部１３５、１３６が形成されている。基板７２は、導通部１３４以外の配線部が形成された基板であり、導通部１３４の両端と対応する位置に、スルーホール７１１、７１２が形成されている。そして、基板７１と基板７２とを重ね合わせて、スルーホール７１１と接続部１３５、及び、スルーホール７１２と接続部１３５をベア接続させることで、導通部１３４を介してコイル１１とコイル１２とが接続される。
　上記のように、本例は、コイル１１、１２を有する基板７２と、コイル１１、１２を導通するための導通部１３４を有する基板７１とを備え、基板７１、７２は積層されている。これにより、コイルを基板パターンで作成することで、同じ形状のコイルを容易に複数枚作成することができる。
　上記の基板７１は本発明に係る「第１基板」に相当し、基板７２は本発明に係る「第２基板」に相当する。
１００…送電部
　１０…コイル
　　１１…コイル
　　１１１～１１４…配線部
　　１２…コイル
　　　１２１～１２４…配線部
　　１３１～１３３…引出線
　　１３４…導通部
　　１３５、１３６…接続部
　　１４０…絶縁部材
　２１、２２…磁性体
　２９…凹部
　３０…遮蔽板
　７１、７２…基板
　７１１、７１２…スルーホール
２００…受電部
　４０…コイル
　５０…磁性体
　６０…遮蔽板

Claims (9)

  1. 送電コイルと受電コイルとの間で、非接触で磁気的な結合により電力を供給する非接触給電装置において
    前記送電コイルまたは前記受電コイルの少なくとも何れか一方のコイルは、
    　矩形状のコイル面をもち、同一平面上に並べられ、かつ、互いの配線の少なくとも一部を隣接させた第１コイル及び第２コイルを有し、
    　前記第１コイル及び前記第２コイルは互いに平行に配置された４本の配線部を有し、
    　前記４本の配線部のうち、内側に配置された２本の配線部を流れる電流が、外側に配置された２本の配線部を流れる電流に対して逆向きである
    ことを特徴とする非接触給電装置。
  2. 前記第１コイルは、前記４本の配線部のうち、前記内側に配置された第１配線部と、前記外側に配置された第２配線部とを有し、
    前記第２コイルは、前記４本の配線部のうち、前記内側に配置された第３配線部と、前記外側に配置された第４配線部とを有し、
    前記４本の配線部のそれぞれの両端のうち、
    　一方の端部に配置された、前記第１配線部の一端と前記第２配線部の一端、及び、前記第３配線部の一端と前記第４配線部の一端がそれぞれ導通され、かつ、
    　他方の端部に配置された、前記第１配線部の他端と前記第３配線部の他端、または、前記第２配線部の他端と前記第４配線部の他端が導通されている
    ことを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
  3. 前記第１コイルは及び前記第２コイルはそれぞれ複数回巻かれたコイルであり、
    前記第１配線部の他端と前記第３配線部の他端、または、前記第２配線部の他端と前記第４配線部の他端を導通する導通部は、絶縁部材で覆われている
    ことを特徴とする請求項２記載の非接触給電装置。
  4. 　前記第１コイル及び前記第２コイルの一対の表面のうち、非接触で電力を送電または受電する側の表面に対して反対側の表面上に配置され、かつ、前記同一平面と平行な面に沿って形成された磁性体をさらに備えた
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  5. 　前記第１コイル及び前記第２コイルの一対の表面のうち、非接触で電力を送電または受電する側の表面に対して反対側の表面上に配置され、かつ、前記同一平面と平行な面に沿って形成された磁性体をさらに備え
    前記磁性体は、
    　前記磁性体の表面を凹ませた凹部を有し、
    前記導通部は前記凹部に配置されている
    ことを特徴とする請求項３記載の非接触給電装置。
  6. 　前記同一平面の法線方向及び前記第１コイルと前記第２コイルの幅方向に沿う断面において、前記内側に配置された２本の配線部の中心線から前記磁性体の外縁までの距離は、前記中心線から前記外側に配置された２本の配線部までのそれぞれの距離以上である
    ことを特徴とする請求項４または５記載の非接触給電装置。
  7. 　前記磁性体の一対の表面のうち、前記第１コイル及び前記第２コイルと対向する前記磁性体の対向面に対して反対側の表面上に配置され、前記同一平面と平行な面に沿って形成され、前記第１コイル及び前記第２コイルからの磁束を遮蔽する遮蔽板をさらに備えた
    ことを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  8. 　前記同一平面の法線方向及び前記第１コイルと前記第２コイルの幅方向に沿う断面において、前記内側に配置された２本の配線部の中心線から前記遮蔽板の外縁までの距離は、前記中心線から前記磁性体の外縁までの距離以上であり、かつ
    　前記磁性体の表面と前記遮蔽板の表面とが重なり合っている
    ことを特徴とする請求項７記載の非接触給電装置。
  9. 　前記導通部を有する第１基板と、
    　前記第１コイル及び前記第２コイルを有する第２基板とをさらに備え、
    　前記第１基板及び前記第２基板は積層されている
    ことを特徴とする請求項３記載の非接触給電装置。
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