WO2014129455A1 - 電磁誘導コイル - Google Patents

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WO2014129455A1
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primary
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アントニー ガフ
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矢崎総業株式会社
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    • HELECTRICITY
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    • HELECTRICITY
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    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic induction coil, and more particularly to an electromagnetic induction coil used for resonant non-contact power feeding.
  • wireless power feeding that does not use a power cord or a power transmission cable has attracted attention as a power feeding system that feeds a battery mounted on a hybrid vehicle or an electric vehicle.
  • a resonance type is known as one of the wireless power supply technologies.
  • a power supply system 100 is installed on the ground of a power supply facility provided with an AC power supply 101, and a primary coil unit 102 that supplies power from the AC power supply 101 in a non-contact manner to a vehicle. And a secondary coil unit 103 that receives power from the primary coil unit 102 in a non-contact manner.
  • the primary coil unit 102 includes a primary (feeding side) electromagnetic induction coil 104 connected to an AC power source 101, a primary resonance coil 105 to which power is supplied from the primary electromagnetic induction coil 104 by electromagnetic induction, And a primary capacitor C ⁇ b> 1 for adjusting the resonance frequency connected to the secondary resonance coil 105.
  • the secondary coil unit 103 includes a secondary (power-receiving side) resonance coil 106 that magnetically resonates with the primary resonance coil 105, and a secondary that is supplied with power from the secondary resonance coil 106 by electromagnetic induction and connected to a load 108.
  • the electromagnetic induction coil 107 and the secondary capacitor C2 for adjusting the resonance frequency connected to the secondary resonance coil 106 are provided.
  • the power feeding system 100 when power from the AC power source 101 is supplied to the primary electromagnetic induction coil 104, the power is sent to the primary resonance coil 105 by electromagnetic induction. As a result, the primary resonance coil 105 and the secondary resonance coil 106 perform magnetic field resonance, and power is wirelessly transmitted from the primary resonance coil 105 to the secondary resonance coil 106. Further, when electric power is sent to the secondary resonance coil 106, the electric power is sent to the secondary electromagnetic induction coil 107 by electromagnetic induction and supplied to the load 108 connected to the secondary electromagnetic induction coil 107.
  • distance between coils a fluctuation in the distance between the resonance coils 105 and 106 (hereinafter abbreviated as “distance between coils”) and a displacement of the resonance coils 105 and 106 occur.
  • distance between coils a fluctuation in the distance between the resonance coils 105 and 106
  • impedance mismatch occurs, thereby reflecting power and lowering transmission efficiency.
  • FIG. 16 shows the resonance coils 105 and 106 when the inter-coil distances are 100 mm, 200 mm, 300 mm, and 400 mm in the power feeding system 100 in which the impedance is adjusted so that the transmission efficiency is best when the inter-coil distance is 200 mm.
  • It is a graph which shows the frequency characteristic of S parameter S21 between.
  • FIG. 17 is a graph showing the transmission efficiency between the resonance coils 105 and 106 with respect to the distance between the coils in the power feeding system 100 in which the impedance is adjusted so that the transmission efficiency is the best when the distance between the coils is 200 mm.
  • the matching circuit is provided with a variable capacitor, and impedance matching can be performed by changing the capacitance.
  • an object of the present invention is to provide an electromagnetic induction coil that can be used to adjust the impedance without relying on a variable capacitor and can be used in a power feeding system that can maintain high efficiency.
  • the invention according to claim 1 for solving the above-described problem is a pair of resonance coils that perform non-contact power feeding by magnetic field resonance, supplies power to the power feeding side of the pair of resonance coils, or the pair of resonance coils.
  • a coil that constitutes at least one of the electromagnetic induction coils to which power is supplied from the power receiving side and includes a coil body and a winding number adjustment mechanism that adjusts the number of turns of the coil body. Lies in the characteristic coil.
  • the winding number adjusting mechanism includes a mounting portion that mounts an end portion of the coil body and separates the coil main body from other portions. Exist.
  • the invention according to claim 3 is characterized in that the mounting portion is provided with an inclined surface that becomes higher toward the end portion of the coil body, and the end portion of the coil body is mounted on the inclined surface. It exists in the coil of Claim 2.
  • the coil according to the first aspect wherein the winding number adjusting mechanism includes a turnback portion provided by rewinding a part of the coil body.
  • the invention according to claim 5 resides in the coil according to claim 4, wherein the turnback portion is provided at an end portion of the coil body.
  • the impedance can be adjusted by adjusting the number of turns of the coil body by the winding adjusting mechanism.
  • impedance adjustment can be performed without relying on a variable capacitor, and non-contact power feeding can be performed with high efficiency.
  • the impedance can be easily adjusted by moving the mounting portion.
  • the end of the coil body can be gently separated from other parts, so that no load is applied to the coil body.
  • the impedance can be easily adjusted by adjusting the length of the turnback portion.
  • the turnback portion can be easily provided.
  • a power feeding system incorporating the electromagnetic induction coil of the present invention in the first embodiment will be described with reference to FIG.
  • a power supply system 1 is mounted on the ground of a power supply facility provided with an AC power supply 2 and the primary coil unit 3 that supplies power from the AC power supply 2 in a non-contact manner to a vehicle.
  • a secondary coil unit 4 that receives power from the primary coil unit 3 in a non-contact manner.
  • the primary coil unit 3 includes a primary electromagnetic induction coil 5 connected to the AC power supply 2, a primary resonance coil 6 to which power is supplied from the primary electromagnetic induction coil 5 by electromagnetic induction, and the primary resonance coil 6. And a connected primary capacitor C1 for adjusting the resonance frequency.
  • the primary electromagnetic induction coil 5 corresponds to the electromagnetic induction coil and coil in the claims
  • the primary resonance coil 6 corresponds to the power supply side and coil of the pair of resonance coils in the claims.
  • the secondary coil unit 4 includes a secondary resonance coil 7 that magnetically resonates with the primary resonance coil 6, and a secondary power as an electromagnetic induction coil that is supplied with power from the secondary resonance coil 7 by electromagnetic induction and connected to a load 8.
  • the electromagnetic induction coil 9 and the secondary capacitor C2 for adjusting the resonance frequency connected to the secondary resonance coil 7 are provided.
  • the secondary electromagnetic induction coil 9 corresponds to the electromagnetic induction coil in the claims
  • the secondary resonance coil 7 corresponds to the power receiving side of the pair of resonance coils in the claims.
  • the primary electromagnetic induction coil 5, the primary resonance coil 6, the secondary resonance coil 7 and the secondary electromagnetic induction coil 9 are each formed by being spirally wound on a holding member such as a substrate (not shown).
  • the primary electromagnetic induction coil 5 and the primary resonance coil 6 are coaxially arranged so as to be separated from each other. Further, the primary electromagnetic induction coil 5 and the primary resonance coil 6 are arranged so that the axial direction thereof is along the opposing direction of the primary coil unit 3 and the secondary coil unit 4, that is, the vertical direction.
  • the secondary resonance coil 7 and the secondary electromagnetic induction coil 9 are also arranged coaxially so as to be separated from each other, and the axial direction thereof is arranged along the vertical direction.
  • the primary electromagnetic induction coil 5, the primary resonance coil 6, the secondary resonance coil 7, and the secondary electromagnetic induction coil 9 are arranged on the same axis. Is done.
  • the electric power is sent to the primary resonance coil 6 by electromagnetic induction.
  • the primary resonance coil 6 and the secondary resonance coil 7 are magnetically resonated, and power is wirelessly transmitted from the primary resonance coil 6 to the secondary resonance coil 7.
  • the electric power is sent to the secondary electromagnetic induction coil 9 by electromagnetic induction and supplied to the load 8 connected to the secondary electromagnetic induction coil 9.
  • the primary electromagnetic induction coil 5 includes a coil main body 51, a winding number adjusting mechanism that mounts one end portion of the coil main body 51 (the outer end portion in the present embodiment) and separates it from other portions, and a wedge W as a mounting portion. And is composed of.
  • the coil main body 51 is composed of a flexible wire, and is disposed on a holding member such as a substrate (not shown) as described above, and is wound in a circular spiral shape.
  • the wedge W is mounted on a flat plate on which the coil body 51 is arranged, and is provided in a substantially box shape.
  • the wedge W is provided in a long shape in the winding direction Y1 of the coil main body 51, and is provided curved along the winding direction Y1.
  • the wedge W is provided with an inclined surface W ⁇ b> 1 that becomes higher toward one end of the coil body 51.
  • the inclined surface W1 is provided with a linear accommodation groove W2 for accommodating one end portion of the coil main body 51, and one end portion of the coil main body 51 is accommodated in the linear accommodation groove W2.
  • the one end of the coil body 51 at the portion mounted on the wedge W is spaced apart from the other portions in the height direction. For this reason, the part mounted in the wedge W of the coil main body 51 does not contribute to the function as a coil. Therefore, when the wedge W is moved to the side away from one end of the coil body 51 (moved clockwise in the figure), the end length of the coil body 51 mounted on the wedge W increases, and the number of turns of the coil body 51 is increased. Can be reduced.
  • the wedge W is moved clockwise in FIG. Reduce the number of turns.
  • impedance matching can be achieved by reducing the number of turns of the coil body 51, that is, the inductance L and the mutual inductance M.
  • the wedge W is moved counterclockwise in the figure, and the number of turns of the coil body 51 is increased.
  • the number of turns of the coil main body 51 that is, the inductance L and the mutual inductance M can be increased, the double resonance characteristic can be eliminated, and impedance matching can be achieved. Therefore, impedance adjustment can be performed without relying on a variable capacitor, and contactless power feeding can be performed with high efficiency. Further, by moving the wedge W, the impedance can be easily adjusted.
  • the wedge W is provided with the inclined surface W1 that becomes higher toward the one end portion of the coil body 51, and the one end portion of the coil body 51 is mounted on the inclined surface W1. . Thereby, since the edge part of the coil main body 51 can be gently spaced apart from other parts, the coil main body 51 is not loaded.
  • the wedge W is provided on the primary electromagnetic induction coil 5 wound in a spiral shape, but the shape of the coil that can be provided with the wedge W is not limited to this. .
  • the shape of the coil may be another known shape.
  • the wedge W is mounted on a holding member (not shown) that holds the coil body 51 of the primary electromagnetic induction coil 5 such as a bobbin, as in the first embodiment.
  • the primary resonance coil 6, the secondary resonance coil 7, and the secondary electromagnetic induction coil 9 are also formed by being spirally wound. In this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • only one end of the coil body 51 is mounted on the wedge W, but the present invention is not limited to this. Only the other end of the coil body 51 may be mounted on the wedge W, or both ends of the coil body 51 may be mounted on the wedge W.
  • the wedge W is provided only in the primary electromagnetic induction coil 5, but the present invention is not limited to this.
  • the wedge W may be provided only on the secondary electromagnetic induction coil 9, or the wedge W may be provided on both the primary electromagnetic induction coil 5 and the secondary electromagnetic induction coil 9.
  • the primary electromagnetic induction coil 5, the primary resonance coil 6, the secondary resonance coil 7, and the secondary electromagnetic induction coil 9 have vertical axes.
  • the arrangement of the coils is not limited to this.
  • an arrangement as shown in FIG. 3 can be considered.
  • the primary electromagnetic induction coil 5 and the primary resonance coil 6 are spirally wound around a flat primary core 10 and are thus arranged coaxially. Further, the secondary resonance coil 7 and the secondary electromagnetic induction coil 9 are also spirally wound around the flat secondary core 11 and are thereby arranged coaxially.
  • the primary electromagnetic induction coil 5, the primary resonance coil 6, the secondary resonance coil 7, and the secondary electromagnetic induction coil 9 have axes thereof. It arrange
  • the primary electromagnetic induction coil 5 includes a coil body 51 and a wedge W, as in the first embodiment.
  • the wedge W is mounted on the primary core 10 that is a holding member.
  • the wedge W is provided in a long shape along the winding direction of the coil body 51 and is provided in a straight line along the winding direction.
  • the wedge W is provided with an inclined surface W ⁇ b> 1 that becomes higher toward one end of the coil body 51.
  • the inclined surface W1 is provided with a linear accommodation groove W2 for accommodating the end of the coil body 51, and the end of the coil body 51 is accommodated in the linear accommodation groove W2.
  • the secondary electromagnetic induction coil 9 is also provided with a wedge W on which one end portion of the coil body 91 is mounted and separated from the other portions.
  • impedance matching can be achieved by changing the number of turns of the coil bodies 51 and 91.
  • the wedge W is provided in both the primary electromagnetic induction coil 5 and the secondary electromagnetic induction coil 9, but the present invention is not limited to this. It may be provided only in the primary electromagnetic induction coil 5 or may be provided only in the secondary electromagnetic induction coil 9.
  • the primary and secondary electromagnetic induction coils 5 and 9 are mounted on the wedge W, but the present invention is not limited to this.
  • the resonance coils 6 and 7 may be composed of coil bodies 61 and 71 and a wedge W.
  • the resonance coils 6 and 7 are desired to be formed in a spiral shape, but as shown in FIG. 5, a wedge W may be provided in the spiral resonance coils 6 and 7.
  • the resonance frequencies of the resonance coils 6 and 7 are shifted due to manufacturing variations of the resonance coils 5 and 6, capacitors C1 and C2, ferrite, coil bobbins, and the like as well as variations in the distance D between the coils.
  • the inductance of the resonance coils 5 and 6 can be adjusted, the resonance frequency can be corrected, and the impedance can be adjusted.
  • channel W2 were provided in the wedge W shown in 1st Embodiment and the modification mentioned above, this invention is not limited to this.
  • the inclined surface W1 and the linear accommodation groove W2 may not be provided.
  • a power feeding system 1 incorporating an electromagnetic induction coil according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the difference between the first embodiment and the second embodiment is the configuration of the winding number adjusting mechanism. Since other parts are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1, detailed description thereof is omitted here.
  • the wedge W is provided as the winding number adjusting mechanism.
  • the turnback portion T provided by rewinding one end portion of the coil body 51 is the winding number adjusting mechanism.
  • the turnback portion T does not contribute to the function as a coil because magnetic fluxes generated from portions adjacent to each other in the winding direction and portions along the rewinding direction cancel each other. Therefore, when the turnback portion T is increased, the number of turns of the coil body 51 can be reduced. On the other hand, when the turnback portion T is reduced, the number of turns of the coil body 51 can be increased.
  • the turnback portion T is increased and the number of turns of the coil body 51 is reduced.
  • impedance matching can be achieved by reducing the number of turns of the coil body 51, that is, the inductance L and the mutual inductance M.
  • the turnback portion T is reduced and the number of turns of the coil body 51 is increased.
  • the number of turns of the coil main body 51 that is, the inductance L and the mutual inductance M can be increased, the double resonance characteristic can be eliminated, and impedance matching can be achieved. Therefore, impedance adjustment can be performed without relying on a variable capacitor, and contactless power feeding can be performed with high efficiency.
  • the impedance can be easily adjusted by adjusting the length of the turnback portion T.
  • the turnback portion T can be easily provided by providing the turnback portion T at the end of the coil body 51.
  • the magnetic fluxes generated from the portions along the winding direction and the portions along the rewinding direction that are adjacent to each other cancel each other.
  • the same effect can be obtained.
  • the inventor made a conventional product that is a conventional power supply system that does not have the turnback portion T and a product that is the power supply system 1 of the present invention that has the turnback portion T between the coils.
  • the transmission efficiency with respect to distance was measured. The results are shown in FIG.
  • the highest transmission efficiency is plotted by adjusting the length of the turnback portion T.
  • the transmission efficiency of 90% or more can be maintained only in the range of the distance D between the coils of 180 mm to 210 mm, whereas the distance D between the coils is 180 mm to 250 mm in the present invention product. It was found that the transmission efficiency can be maintained at 90% or more in a wide range.
  • the inventor actually measured the power loss rate in the inter-coil distance D for the conventional product and the product of the present invention. The results are shown in FIG. In addition, about this invention product, the length of the turnback part T is adjusted and the power loss rate is plotted most. As shown in the figure, in the conventional product, the power loss rate increases as the inter-coil distance D increases from 200 mm, whereas in the present invention, the power in the wide range of the inter-coil distance D is 180 mm to 250 mm. It was found that the loss rate could be 0%.
  • the turnback portion T is provided in the primary electromagnetic induction coil 5 wound in a spiral shape, but the shape of the coil that can be provided with the turnback portion T is limited to this. It is not a thing.
  • the shape of the coil may be another known shape. For example, as shown in FIG. 10, it is conceivable to provide a turnback portion T in the primary electromagnetic induction coil 5 wound in a spiral shape. Since the primary resonance coil 6, the secondary resonance coil 7, and the secondary electromagnetic induction coil 9 are the same as those in FIG. 2, they are omitted from FIG.
  • the primary electromagnetic induction coil 5, the primary resonance coil 6, the secondary resonance coil 7 and the secondary electromagnetic induction coil 9 have their axes in the vertical direction.
  • the arrangement of the coils is not limited to this.
  • a turnback portion T is provided on a primary electromagnetic induction coil 5 that is spirally wound around a primary core 10 coaxially with the primary resonance coil 6, and the axial direction is horizontally aligned. It is also possible to provide it. Since the secondary resonance coil 7 and the secondary electromagnetic induction coil 9 are the same as those in FIG. 3, they are omitted from FIG.
  • the turnback portion T is provided at one end of the coil body 51, but the present invention is not limited to this.
  • a turnback portion T may be provided at the other end of the coil body 51, or a turnback portion T may be provided at both ends. Further, the present invention is not limited to both ends, and for example, it is conceivable to provide a turnback portion T at the central portion of the coil body 51.
  • the turnback portion T is provided only in the primary electromagnetic induction coil 5, but the present invention is not limited to this. Only the secondary electromagnetic induction coil 9 may be provided with the turnback portion T, or the turnback portions T may be provided on both the primary electromagnetic induction coil 5 and the secondary electromagnetic induction coil 9.
  • the coil bodies 51 and 91 are provided in a plurality of turns (two or more turns), but the number of turns of the coil bodies 51 and 91 may be one.
  • the turnback portion T is provided in the primary and secondary electromagnetic induction coils 5 and 9, but the present invention is not limited to this.
  • the resonance coils 6 and 7 may be composed of coil bodies 61 and 71 and a turnback portion T.
  • the resonance coils 6 and 7 are desired to be formed in a spiral shape, but as shown in FIG. 13, the spiral resonance coils 6 and 7 may be provided with a turnback portion T.
  • the resonance frequencies of the resonance coils 6 and 7 may shift due to variations in manufacturing of the resonance coils 5 and 6, capacitors C1 and C2, ferrite, coil bobbins, and the like as well as variations in the distance D between the coils.
  • the inductance of the resonance coils 5 and 6 can be adjusted, the resonance frequency can be corrected, and the impedance can be adjusted.

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Abstract

 磁界共鳴により非接触給電を行う一対の1次、2次共鳴コイル(6、7)のうち1次共鳴コイル(6)に電源を供給する1次電磁誘導コイル(5)が、コイル本体(51)と、コイル本体(51)の端部を搭載して他の部分を離間させるウエッジ(W)と、を有している。このウエッジ(W)の位置を調整することにより、コイル本体(51)の巻数を調整して、インピーダンス整合を図ることができる。

Description

電磁誘導コイル
 本発明は、電磁誘導コイルに係り、特に、共鳴式の非接触給電に用いられる電磁誘導コイルに関するものである。
 近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されたバッテリに給電する給電システムとして、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス給電が注目されている。このワイヤレス給電技術の一つとして共鳴式のものが知られている。
 この共鳴式の給電システムとして、例えば図15に示すものが提案されている(特許文献1)。同図に示すように、給電システム100は、交流電源101が設けられた電源供給設備の地面などに設置され、交流電源101からの電源を非接触で給電する1次コイルユニット102と、車両に搭載され、1次コイルユニット102から非接触で受電する2次コイルユニット103と、を備えている。
 上記1次コイルユニット102は、交流電源101に接続された1次(給電側)電磁誘導コイル104と、電磁誘導により1次電磁誘導コイル104から電源が供給される1次共鳴コイル105と、1次共鳴コイル105に接続された共鳴周波数調整用の1次コンデンサC1と、を有している。
 上記2次コイルユニット103は、1次共鳴コイル105と磁界共鳴する2次(受電側)共鳴コイル106と、電磁誘導により2次共鳴コイル106から電源が供給され、負荷108に接続された2次電磁誘導コイル107と、2次共鳴コイル106に接続された共鳴周波数調整用の2次コンデンサC2と、を有している。
 上述した給電システム100によれば、1次電磁誘導コイル104に交流電源101からの電力が供給されると、その電力が電磁誘導により1次共鳴コイル105に送られる。これにより、1次共鳴コイル105及び2次共鳴コイル106が磁界共鳴して、1次共鳴コイル105から2次共鳴コイル106に電力がワイヤレスで送られる。さらに、2次共鳴コイル106に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって2次電磁誘導コイル107に送られ、この2次電磁誘導コイル107に接続された負荷108に供給される。
 しかしながら、上記給電システム100を電源設備や車両に実装するときは、共鳴コイル105、106間距離(以下「コイル間距離」と略記する)の変動や共鳴コイル105、106の位置ずれが起きる。この距離変動と位置ずれが生じるとインピーダンスの不整合が起きて、それにより電力が反射し、伝送効率が低下する。
 これを図16及び図17を参照してさらに詳しく説明する。図16は、コイル間距離が200mmのとき最も伝送効率が良くなるようにインピーダンス調整された給電システム100において、コイル間距離を100mm、200mm、300mm、400mmとした場合それぞれについての共鳴コイル105、106間のSパラメータS21の周波数特性を示すグラフである。図17は、コイル間距離が200mmのとき最も伝送効率が良くなるようにインピーダンス調整された給電システム100におけるコイル間距離に対する共鳴コイル105、106間の伝送効率を示すグラフである。
 同図に示すように、従来の給電システム100においては、コイル間距離が200mmよりも大きくなると、それに従って共鳴コイル105、106間の結合が弱くなり、SパラメータS21が低くなり、伝送効率が低下してしまう。また、コイル間距離が200mmよりも小さくなると、それに従って共鳴コイル105、106間の結合が強くなりすぎて、図16に示すように双共振特性となり、伝送周波数(=交流電源101の周波数)でのSパラメータS21が低下して、伝送効率が低下してしまう。
 上述したコイル間距離や位置ずれに対する対策として、通常、1次コイルユニット102又は2次コイルユニット103(場合によっては両方)にインピーダンスを整合するための整合回路を設けることが考えられる。整合回路には、可変コンデンサが設けられ、容量を変化させることでインピーダンス整合を実施することができる。
 しかしながら、伝送周波数の周波数がkHz領域の場合、大容量のコンデンサが必要となり、フィルムやセラミックコンデンサを利用せざる得ない。しかしながら、フィルムやセラミックコンデンサは可変にすることが難しい、という問題があった。
特表2009-501510号公報
 そこで、本発明は、可変コンデンサに頼ることなく、インピーダンス調整行うことができ、高効率を維持できる給電システムに用いられる電磁誘導コイルを提供することを課題とする。
 上述した課題を解決するための請求項1記載の発明は、磁界共鳴により非接触給電を行う一対の共鳴コイル、前記一対の共鳴コイルの給電側に電源を供給する、又は、前記一対の共鳴コイルの受電側から電源が供給される電磁誘導コイルの少なくとも何れか1つを構成するコイルであって、コイル本体と、前記コイル本体の巻数を調整する巻数調整機構と、を有していることを特徴とするコイルに存する。
 請求項2記載の発明は、前記巻数調整機構が、前記コイル本体の端部を搭載して他の部分から離間させる搭載部から構成されていることを特徴とする請求項1に記載のコイルに存する。
 請求項3記載の発明は、前記搭載部には、前記コイル本体の端部に向かうに従って高くなる傾斜面が設けられ、当該傾斜面上に前記コイル本体の端部が搭載されることを特徴とする請求項2に記載のコイルに存する。
 請求項4記載の発明は、前記巻数調整機構は、前記コイル本体の一部を巻き戻して設けたターンバック部から構成されていることを特徴とする請求項1に記載のコイルに存する。
 請求項5記載の発明は、前記ターンバック部は、前記コイル本体の端部に設けられていることを特徴とする請求項4に記載のコイルに存する。
 以上説明したように請求項1記載の発明によれば、巻線調整機構によりコイル本体の巻数を調整してインピーダンスを調整することができる。これにより、可変コンデンサに頼ることなく、インピーダンス調整を行うことができ、高効率で非接触給電を行うことができる。
 請求項2記載の発明によれば、搭載部を動かすことで、インピーダンスを簡単に調整することができる。
 請求項3記載の発明によれば、コイル本体の端部を緩やかに他の部分から離間させることができるので、コイル本体に負荷がかかることがない。
 請求項4記載の発明によれば、ターンバック部の長さを調整することで、インピーダンスを簡単に調整することができる。
 請求項5記載の発明によれば、ターンバック部を容易に設けることができる。
第1実施形態における本発明の電磁誘導コイルを組み込んだ給電システムを示す図である。 第1実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 第1実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 第1実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 第1実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 第1実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 第2実施形態における本発明の電磁誘導コイルを組み込んだ給電システムを示す図である。 従来品とターンバック部を有する本発明品とについて、コイル間距離に対する伝送効率を実測した結果を示すグラフである。 従来品とターンバック部を有する本発明品とについて、コイル間距離に対する電力ロス率を実測した結果を示すグラフである。 第2実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 第2実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 第2実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 第2実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 第2実施形態の給電システムの変形例を示す図である。 従来の給電システムの一例を示す図である。 コイル間距離が200mmのとき最も伝送効率が良くなるようにインピーダンス調整された給電システムにおいて、コイル間距離を100mm、200mm、300mm、400mmとした場合それぞれについての共鳴コイル間のSパラメータS21の周波数特性を示すグラフである。 コイル間距離が200mmのとき最も伝送効率が良くなるようにインピーダンス調整された給電システムにおけるコイル間距離に対する共鳴コイル間の伝送効率を示すグラフである。
第1実施形態
 以下、第1実施形態における本発明の電磁誘導コイルを組み込んだ給電システムについて図1を参照して説明する。同図に示すように、給電システム1は、交流電源2が設けられた電源供給設備の地面などに搭載され、交流電源2からの電源を非接触で給電する1次コイルユニット3と、車両に搭載され、1次コイルユニット3から非接触で受電する2次コイルユニット4と、を備えている。
 1次コイルユニット3は、交流電源2に接続された1次電磁誘導コイル5と、電磁誘導により1次電磁誘導コイル5から電源が供給される1次共鳴コイル6と、1次共鳴コイル6に接続された共鳴周波数調整用の1次コンデンサC1と、を有している。この1次電磁誘導コイル5が請求項中の電磁誘導コイル、コイルに相当し、1次共鳴コイル6が、請求項中の一対の共鳴コイルの給電側、コイルに相当する。
 2次コイルユニット4は、1次共鳴コイル6と磁界共鳴する2次共鳴コイル7と、電磁誘導により2次共鳴コイル7から電源が供給され、負荷8に接続された電磁誘導コイルとしての2次電磁誘導コイル9と、2次共鳴コイル7に接続された共鳴周波数調整用の2次コンデンサC2と、を有している。この2次電磁誘導コイル9が請求項中の電磁誘導コイルに相当し、2次共鳴コイル7が、請求項中の一対の共鳴コイルの受電側、コイルに相当する。
 上記1次電磁誘導コイル5、1次共鳴コイル6、2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9はそれぞれ、図示しない基板などの保持部材上にスパイラル状に巻かれて形成されている。1次電磁誘導コイル5及び1次共鳴コイル6は、互いに離間するように、同軸上に配置されている。また、1次電磁誘導コイル5及び1次共鳴コイル6は、その軸方向が1次コイルユニット3と2次コイルユニット4との対向方向、即ち垂直方向に沿うように配置されている。
 2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9も、互いに離間するように、同軸上に配置され、その軸方向が垂直方向に沿うように配置されている。これにより、1次コイルユニット3と2次コイルユニット4とが対向すると、1次電磁誘導コイル5、1次共鳴コイル6、2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9が、同軸上に配置される。
 上述した給電システム1によれば、従来と同様に、1次電磁誘導コイル5に交流電源2からの電力が供給されると、その電力が電磁誘導により1次共鳴コイル6に送られる。これにより、1次共鳴コイル6及び2次共鳴コイル7が磁界共鳴して、1次共鳴コイル6から2次共鳴コイル7に電力がワイヤレスで送られる。さらに、2次共鳴コイル7に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって2次電磁誘導コイル9に送られ、この2次電磁誘導コイル9に接続された負荷8に供給される。
 次に、本発明の特徴である1次電磁誘導コイル5の一例について説明する。1次電磁誘導コイル5は、コイル本体51と、コイル本体51の一端部(本実施形形態では外側の端部)を搭載して他の部分から離間させる巻数調整機構、搭載部としてのウエッジWと、から構成されている。コイル本体51は、可撓性のある線材から構成され、上述したように図示しない基板などの保持部材上に配置され、円形のスパイラル状に巻かれている。
 ウエッジWは、コイル本体51が配置されている平板上に搭載され、略箱型に設けられている。ウエッジWは、コイル本体51の巻き方向Y1に長尺状に設けられるとともに、巻き方向Y1に沿って湾曲されて設けられている。このウエッジWには、コイル本体51の一端部に向かうに従って高くなる傾斜面W1が設けられている。傾斜面W1には、コイル本体51の一端部を収容する線状収容溝W2が設けられ、その線状収容溝W2内にコイル本体51の一端部が収容されている。
 このウエッジWに搭載された部分のコイル本体51の一端部は、他の部分と高さ方向に離間される。このため、コイル本体51のウエッジWに搭載された部分は、コイルとしての機能に寄与しない。よって、ウエッジWをコイル本体51の一端部から離れた側に移動させると(図中時計回りに移動させる)、ウエッジWに搭載されるコイル本体51の端部長が増えて、コイル本体51の巻数を減らすことができる。
 これに対して、ウエッジWをコイル本体51の一端部に向かって移動させると(図中反時計回りに移動させる)、ウエッジWに搭載されるコイル本体51の端部長が減って、コイル本体51の巻数を増やすことができる。
 上述した給電システム1によれば、例えばこれら1次コイルユニット3及び2次コイルユニット4の設置環境によってコイル間距離Dが大きい場合、ウエッジWを図中時計回りに移動させて、コイル本体51の巻数が減らす。これにより、コイル本体51の巻数、即ちインダクタンスLと相互インダクタンスMを減らすことにより、インピーダンス整合を図ることができる。一方、コイル間距離Dが小さい場合、ウエッジWを図中反時計回りに移動させて、コイル本体51の巻数が増やす。
 これにより、コイル本体51の巻数、即ちインダクタンスLと相互インダクタンスMを増やし、双共振特性をなくして、インピーダンス整合を図ることができる。よって、可変コンデンサに頼ることなく、インピーダンス調整を行うことができ、高効率で非接触給電を行うことができる。また、ウエッジWを動かすことで、インピーダンスを簡単に調整することができる。
 また、上述した給電システム1によれば、ウエッジWには、コイル本体51の一端部に向かうに従って高くなる傾斜面W1が設けられ、当該傾斜面W1上にコイル本体51の一端部が搭載される。これにより、コイル本体51の端部を緩やかに他の部分から離間させることができるので、コイル本体51に負荷がかかることがない。
 なお、上述した第1実施形態では、スパイラル状に巻かれている1次電磁誘導コイル5にウエッジWを設けていたが、ウエッジWを設けることができるコイルの形状はこれに限ったものではない。コイルの形状は他の周知の形状であってもよく、例えば、図2に示すように螺旋状に巻かれている1次電磁誘導コイル5にウエッジWを設けることも考えられる。ウエッジWは、第1実施形態と同様にボビンなどの1次電磁誘導コイル5のコイル本体51を保持する保持部材(図示せず)上に搭載される。図2においては、1次共鳴コイル6、2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9も、螺旋状に巻かれて形成されている。この場合も第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
 また、上述した第1実施形態、図2に示す変形例においては、コイル本体51の一端部のみをウエッジWに搭載させていたが、本発明はこれに限ったものではない。コイル本体51の他端部のみをウエッジWに搭載するようにしてもよいし、コイル本体51の両端部をウエッジWに搭載するようにしてもよい。
 また、上述した第1実施形態、図2に示す変形例においては、1次電磁誘導コイル5のみにウエッジWを設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、2次電磁誘導コイル9のみにウエッジWを設けても良いし、1次電磁誘導コイル5及び2次電磁誘導コイル9の双方にウエッジWを設けるようにしてもよい。
 また、上述した第1実施形態及び図2に示す変形例においては、1次電磁誘導コイル5、1次共鳴コイル6、2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9は、その軸が垂直方向に沿って設けられていたが、コイルの配置はこれに限ったものではない。例えば、図3に示すよう配置することも考えられる。
 同図に示すように、1次電磁誘導コイル5及び1次共鳴コイル6は、平板状の1次コア10に螺旋状に巻かれ、これにより同軸上に配置される。また、2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9も、平板状の2次コア11に螺旋状に巻かれ、これにより同軸上に配置される。
 上記1次コア10及び2次コア11は互いに平行に並べて配置されるため、1次電磁誘導コイル5、1次共鳴コイル6、2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9は、その軸が1次コイルユニット3と2次コイルユニット4との対向方向と直交する方向、即ち水平方向に沿って配置される。
 上記1次電磁誘導コイル5は、第1実施形態と同様に、コイル本体51と、ウエッジWと、から構成されている。ウエッジWは、保持部材である1次コア10上に搭載されている。ウエッジWは、コイル本体51の巻き方向に沿って長尺状に設けられると共に、巻き方向に沿って直線状に設けられている。ウエッジWは、コイル本体51の一端部に向かうに従って高くなる傾斜面W1が設けられている。傾斜面W1には、コイル本体51の端部を収容する線状収容溝W2が設けられ、その線状収容溝W2内にコイル本体51の端部が収容されている。
 図3に示す変形例では、2次電磁誘導コイル9にもコイル本体91の一端部を搭載して他の部分から離間させるウエッジWが設けられている。図3に示す変形例も、第1実施形態と同様にウエッジWを動かすことで、コイル本体51、91の巻数を変えて、インピーダンス整合を図ることができる。
 なお、図3に示す変形例では、1次電磁誘導コイル5及び2次電磁誘導コイル9の双方にウエッジWを設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。1次電磁誘導コイル5にだけ設けても良いし、2次電磁誘導コイル9だけに設けるようにしてもよい。
 また、上述した第1実施形態及びその変形例では、1次、2次電磁誘導コイル5、9をウエッジW上に搭載させていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、図4に示すように、共鳴コイル6、7を、コイル本体61、71と、ウエッジWと、から構成するようにしても良い。また、図4に示す例では、共鳴コイル6、7としてはスパイラル状に形成していたいが、図5に示すように、螺旋状の共鳴コイル6、7にウエッジWを設けてもよい。また、図6に示すように、軸が水平方向に配置された共鳴コイル6、7にウエッジWを設けてもよい。
 これにより、コイル間距離Dのバラツキだけでなく、共鳴コイル5、6、コンデンサC1、C2、フェライトやコイルボビンなどの製造のバラツキで共鳴コイル6、7の共振周波数がズレることが考えられるが、ウエッジWの位置を調整することにより、共鳴コイル5、6のインダクタンスを調整して、共振周波数の修正が可能となり、インピーダンス調整を行うことができる。
 また、上述した第1実施形態及び変形例に示すウエッジWには、傾斜面W1や線状収容溝W2が設けられていたが、本発明はこれに限ったものではない。傾斜面W1や線状収容溝W2は設けられていなくてもよい。
第2実施形態
 次に、本発明の第2実施形態における電磁誘導コイルを組み込んだ給電システム1について図7を参照して説明する。第1実施形態と第2実施形態と異なる点は巻数調整機構の構成である。その他の部分は、図1に示す第1実施形態と同様のためここでは詳細な説明は省略する。第1実施形態では、巻数調整機構としてウエッジWを設けていたが、第2実施形態では、コイル本体51の一端部を巻き戻して設けたターンバック部Tが巻数調整機構となる。
 このターンバック部Tは、互いに隣り合う巻き方向に沿った部分と巻き戻し方向に沿った部分とから発生する磁束が互いに打ち消し会うため、コイルとしての機能に寄与しない。よって、ターンバック部Tを増やすと、コイル本体51の巻数を減らすことができる。これに対して、ターンバック部Tを減らすと、コイル本体51の巻数を増やすことができる。
 上述した給電システム1によれば、例えばこれら1次コイルユニット3及び2次コイルユニット4の設置環境によってコイル間距離Dが大きい場合、ターンバック部Tを増やして、コイル本体51の巻数を減らす。これにより、コイル本体51の巻数、即ちインダクタンスLと相互インダクタンスMを減らすことにより、インピーダンス整合を図ることができる。一方、コイル間距離Dが小さい場合、ターンバック部Tを減らして、コイル本体51の巻数が増やす。これにより、コイル本体51の巻数、即ちインダクタンスLと相互インダクタンスMを増やし、双共振特性をなくして、インピーダンス整合を図ることができる。よって、可変コンデンサに頼ることなく、インピーダンス調整を行うことができ、高効率で非接触給電を行うことができる。また、ターンバック部Tの長さを調整することで、インピーダンスを簡単に調整することができる。
 また、上述した給電システム1によれば、コイル本体51の端部にターンバック部Tを設けることにより、ターンバック部Tを容易に設けることができる。
 また、ターンバック部Tでは、上述したように互いに隣り合う巻き方向に沿った部分と巻き戻し方向に沿った部分とから発生する磁束が互いに打ち消し合うため、ウエッジWの搭載長の半分の長さで、同じ効果を得ることができる。
 次に、本発明者は、ターンバック部Tを有していない従来の給電システムである従来品と、ターンバック部Tを有する本発明の給電システム1である本発明品と、について、コイル間距離に対する伝送効率を実測した。結果を図8に示す。なお、本発明品については、ターンバック部Tの長さを調節して最も高い伝送効率をプロットしている。
 同図に示すように、従来品では、コイル間距離Dが180mm~210mmの範囲でしか伝送効率90%以上保てなかったのに比べて、本発明品では、コイル間距離Dが180mm~250mmの広い範囲で伝送効率を90%以上に保つことができることが分かった。
 また、本発明者は、上記従来品と、上記本発明品と、について、コイル間距離Dに電力ロス率を実測した。結果を図9に示す。なお、本発明品については、ターンバック部Tの長さを調整して最も電力ロス率をプロットしている。同図に示すように、従来品では、コイル間距離Dが200mmから離れるほど、電力ロス率が大きくなるのに対して、本発明品では、コイル間距離Dが180mm~250mmの広い範囲で電力ロス率が0%にできることが分かった。
 なお、上述した第2実施形態では、スパイラル状に巻かれた1次電磁誘導コイル5にターンバック部Tを設けていたが、ターンバック部Tを設けることができるコイルの形状はこれに限ったものではない。コイルの形状は他の周知の形状であってもよく、例えば、図10に示すように、螺旋状に巻かれている1次電磁誘導コイル5にターンバック部Tを設けることも考えられる。なお、1次共鳴コイル6、2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9は、図2と同様であるため、図10からは省略している。
 また、上述した第2実施形態及び図10に示す変形例においては、1次電磁誘導コイル5、1次共鳴コイル6、2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9は、その軸が垂直方向に沿って設けられていたが、コイルの配置はこれに限ったものではない。例えば、図11に示すように、1次コア10に1次共鳴コイル6と同軸に螺旋状に巻かれ、軸方向が水平に沿って配置された1次電磁誘導コイル5にターンバック部Tを設けることも考えられる。なお、2次共鳴コイル7及び2次電磁誘導コイル9は、図3と同様であるため、図11からは省略している。
 なお、上述した第2実施形態では、コイル本体51の一端にターンバック部Tを設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。コイル本体51の他端にターンバック部Tを設けても良いし、両端にターンバック部Tを設けても良い。また、両端部に限ったものではなく、例えば、コイル本体51の中央部にターンバック部Tを設けることも考えられる。
 また、上述した第2実施形態では、1次電磁誘導コイル5にだけターンバック部Tを設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。2次電磁誘導コイル9だけにターンバック部Tを設けても良いし、1次電磁誘導コイル5及び2次電磁誘導コイル9の双方にターンバック部Tを設けることも考えられる。
 また、上述した第1及び第2実施形態では、コイル本体51、91は、複数巻き(2巻き以上)に設けられていたが、コイル本体51、91の巻数は1巻きであってもよい。
 また、上述した第2実施形態及びその変形例では、1次、2次電磁誘導コイル5、9にターンバック部Tを設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、図12に示すように、共振コイル6、7を、コイル本体61、71と、ターンバック部Tと、から構成するようにしても良い。また、図12に示す例では、共鳴コイル6、7としてはスパイラル状に形成していたいが、図13に示すように、螺旋状の共鳴コイル6、7にターンバック部Tを設けてもよい。また、図14に示すように、軸が水平方向に配置された共鳴コイル6、7にターンバック部Tを設けてもよい。
 これにより、コイル間距離Dのバラツキだけでなく、共鳴コイル5、6、コンデンサC1、C2、フェライトやコイルボビンなどの製造のバラツキで共鳴コイル6、7の共振周波数がズレることが考えられるが、ターンバック部Tの位置を調整することにより、共鳴コイル5、6のインダクタンスを調整して、共振周波数の修正が可能となり、インピーダンス調整を行うことができる。
 また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
 5 1次電磁誘導コイル(コイル、電磁誘導コイル)
 6 1次共鳴コイル(コイル、共鳴コイル)
 7 2次共鳴コイル(コイル、共鳴コイル)
 9 2次電磁誘導コイル(コイル、電磁誘導コイル)
 51 コイル本体
 91 コイル本体
 W ウエッジ(巻数調整機構、搭載部)
 W1 傾斜面
 T ターンバック部(巻数調整機構)

Claims (5)

  1.  磁界共鳴により非接触給電を行う一対の共鳴コイル、前記一対の共鳴コイルの給電側に電源を供給する、又は、前記一対の共鳴コイルの受電側から電源が供給される電磁誘導コイルの少なくとも何れか1つを構成するコイルであって、
     コイル本体と、
     前記コイル本体の巻数を調整する巻数調整機構と、を有している
     ことを特徴とするコイル。
  2.  前記巻数調整機構が、前記コイル本体の端部を搭載して他の部分から離間させる搭載部から構成されている
     ことを特徴とする請求項1に記載のコイル。
  3.  前記搭載部には、前記コイル本体の端部に向かうに従って高くなる傾斜面が設けられ、当該傾斜面上に前記コイル本体の端部が搭載される
     ことを特徴とする請求項2に記載のコイル。
  4.  前記巻数調整機構は、前記コイル本体の一部を巻き戻して設けたターンバック部から構成されている
     ことを特徴とする請求項1に記載のコイル。
  5.  前記ターンバック部は、前記コイル本体の端部に設けられている
     ことを特徴とする請求項4に記載のコイル。
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