JP2013175673A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルに発生する高調波成分を抑制できる非接触給電装置を提供する。
【解決手段】エアギャップ３０を介して配置される一対のコイル１１，２１と、前記各コイルの背面にそれぞれ設けられた磁性体１２，２２と、を備え、前記一対のコイル間を非接触で給電する非接触給電装置１において、前記磁性体の少なくとも一方は、当該磁性体の前面に設けられた前記コイルの軸方向の電気導電率に比べて当該軸方向に直交する面方向の電気導電率が高い特性を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非接触給電装置に関するものである。

電磁誘導の相互誘導作用に基づき１次側から２次側に非接触で電力を供給する非接触給電装置において、１次側および２次側は、それぞれエアギャップ側から順に、コイル，磁心コア，ベースプレートを備え、コイルは渦巻き状に巻回されたフラット構造よりなり、磁心コア及びベースプレートはフラットな平板状をなし、磁心コアとベースプレートとの間に電気絶縁材が介装されている非接触給電装置が知られている（特許文献１）。

特開２０１０−９３１８０号公報

上記従来技術では、１次側と２次側との間のギャップ変動や位置ずれによって結合係数が変化し、共振状態から外れた場合にはコイルに高調波成分が発生するが、従来技術の磁心コアは導電率の低いフェライトを使っているため、高調波成分のほとんどが送電されて放射ノイズとなり、これが車載機器に悪影響を与えるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、コイルに発生する高調波成分を抑制できる非接触給電装置を提供することである。

本発明は、コイルの背面に配置する磁性体の軸方向の導電率に比べて軸方向に直交する面方向の導電率を高く設定することによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、磁性体の軸方向に直交する面方向の導電率を軸方向の導電率よりも高くすることで、磁性体の主面方向に渦電流を発生させる。これにより当該渦電流が損失として消費され、その結果、高調波成分を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る非接触給電装置を示す断面図である。 図１の送電コイル（又は受電コイル）を示す斜視図である。 ２０ｋＨｚの給電電流を基本成分として給電した場合に受電コイルに流れる電流波形（周波数成分）をシミュレーションしたグラフである。 本発明の他の実施の形態に係る非接触給電装置の送電コイルを示す断面図である。 図４の送電コイルを示す平面図である。 積層磁性コアと磁束遮蔽板との距離Ｚ_１を２０ｍｍと４０ｍｍにした場合の積層磁性コア２２の背面（コイル２１から５ｍｍの部分）の磁束密度の変化を観察したグラフである。 磁性コアに入る磁束とこれにより発生する渦電流を示す斜視図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る非接触給電装置の送電コイルを示す断面図である。 図７Ａの７Ｂ部を拡大した断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る非接触給電装置の送電コイルを示す断面図である。 図８Ａの８Ｂ部を拡大した断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る非接触給電装置の受電コイルと送電コイルを示す斜視図である。 図９Ａの断面図及び一部拡大断面図である。

図１は本発明の一実施の形態を適用した非接触給電装置１を示す断面図であり、
所定のエアギャップ３０を介して、受電コイル１０と送電コイル２０とが対面し、給電スタンドなどに設置される送電装置４０から、車両などに搭載されたバッテリ５０などの負荷に非接触で電力を供給し、充電するシステムなどに適用することができる。たとえば、給電スタンドの給電スペースの床面に送電コイル２０を設置し、車両の床裏に受電コイル１０を装着し、受電コイル１０が送電コイル２０に対面するように車両を給電スペースに駐車することで、給電装置４０→送電コイル２０→エアギャップ３０→受電コイル１０→バッテリ５０といった給電経路で充電することができる。

図２は送電コイル２０を示す斜視図であり、本例では送電コイル２０とこれと対をなす受電コイル１０は同じ構造とされている。受電コイル１０及び送電コイル２０は、銅などの導体からなるコイル１１，２１をそれぞれ備える。本例のコイル１１，２１は、少なくともｘｙ平面上に巻回された偏平状コイルであり、図１に示すようにｘｙ平面上に１重（１段）で巻回されたもののほか、ｚ軸方向に複数重（複数段）巻回されたものも含まれる。また本例のコイル１１，２１は、図１に示すように平面視において渦巻状に巻回されたもののほか、平面視において楕円形状に巻回されたもの、正方形や長方形などの矩形状に巻回されたもの、或いは８の字形状に交差して巻回されたものも含まれる。本例のコイル１１，２１は、互いに短絡しないように導体の表面が絶縁被覆され、受電コイル１０にあってはその両端がそれぞれバッテリ５０の入力端子に接続され、送電コイル２０にあってはその両端がそれぞれ給電装置４０の入力端子に接続される。

受電コイル１０及び送電コイル２０の各コイル１１，２１の背面には、相手側の送電コイル２０又は受電コイル１０との間の磁界を調整する磁性コア１２，２２がコイル１１，２１の全面にわたって設けられている。さらに磁性コア１２，２２の背面には、それぞれ受電コイル１０および送電コイル２０からの磁界が受電コイル１０及び送電コイル２０の背面側に及ぶのを抑制する磁気遮蔽板１３，２３が設けられている。なお、受電コイル１０及び送電コイル２０の全体を保護するために、当該受電コイル１０及び送電コイル２０の全体を覆うカバー１４，２４がそれぞれ設けられている。

本例の磁性コア１２，２２自体は、磁気異方性を有する部材で構成され、コイル１１，２１の軸方向（図１に示すＺ方向）の電気導電率に比べて当該軸方向Ｚに直交する面方向（図１に示すＸ−Ｙ平面方向）の電気導電率が高く設定されている。ここで、コイルの軸方向Ｚの電気導電率とは、コイル１１，２１の軸方向に磁束が入った場合に当該磁束廻りに流れる渦電流の電気導電率をいい、軸方向Ｚに直行するＸ−Ｙ面方向の電気導電率とは、Ｘ−Ｙ面方向に磁束が入った場合に当該磁束廻りに流れる渦電流の電気導電率をいう。電気導電率σは、電流密度ベクトルｊ，電界ベクトルＥ，電気抵抗率ρとしたときに、σ（Ｓ／ｍ）＝ｊ／Ｅ＝１／ρの関係がある。

ところで、送電コイル２０と受電コイル１０との間のエアギャップ３０が変動したり、これら送電コイル２０と受電コイル１０とが位置ズレしたりすることで結合係数が変化して共振状態から外れると、コイル１１，２１に高調波電流成分が発生する。また共振状態が維持されていても受電側の整流器等の影響により高調波電流成分が発生する。図３は、２０ｋＨｚの給電電流を基本成分として給電した場合に受電コイル１０に流れる電流波形（周波数成分）をシミュレーションしたグラフであり、基本周波数成分である２０ｋＨｚ以外にも３倍（６０ｋＨｚ）、５倍（１００ｋＨｚ）、７倍（１４０ｋＨｚ）といった奇数次の周波数成分が発生することが理解できる。

こうした高調波成分は空間ノイズを発生させ、車載電子機器等に対する放射ノイズとなる。この放射ノイズとなる高調波成分を抑制するために磁性コア１２，２２を電気導電率が高いアルミニウムなどで構成すると、磁性コア１２，２２の表面に渦電流が流れ、これが高調波成分の損失となって消費され、その結果放射ノイズを抑制することができる。しかしながら、磁性コア１２，２２を電気導電率が高い材料で構成すると、本来送電したい周波数成分の渦電流も流れてしまい、給電効率が低下するという問題がある。

これに対して、本例の磁性コア１２，２２は、コイル１１，２１の軸方向Ｚの電気導電率は低く、Ｘ−Ｙ平面方向の電気導電率は高い磁気異方性材にて構成しているので、コイル１１，２１の軸方向Ｚに対しては電気導電率が低い、すなわち軸方向Ｚに沿う磁束による渦電流は流れ難い一方で、コイル１１，２１のＸ−Ｙ面方向に対しては電気導電率が高い、すなわちＸ−Ｙ方向に沿う磁束による渦電流は流れ易い。その結果、本来送電したい周波数成分、すなわちコイル１１，２１の軸方向Ｚの磁束に影響を与えることなく（給電効率を低下させることなく）、放射ノイズの原因となる高調波成分、すなわちＸ−Ｙ面方向の磁束による渦電流を電流損失として消費することができる。

本例の磁性コア１２，２２は、コイル１１，２１の軸方向Ｚの電気導電率に比べて当該軸方向Ｚに直交するＸ−Ｙ面方向の電気導電率が高く設定された磁気異方性を有する構造であれば、一つの部材が均一に磁気異方性を有するものであっても、あるいは複数の部材を組み合わせて部位ごとに磁気異方性を付加するようにしてもよい。

図４は、給電コイル２０の磁性コア２２を電気導電率が異なる複数の部材で構成した一例を示す断面図である。なお、受電コイル１０の磁性コア１２についても同様である。図示する磁性コア２２は、電気導電率が低いフェライトなどの材料で構成された低導電率部Ａと、電気導電率がフェライトより相対的に高い材料、たとえばアルミニウム、ファインメット（登録商標）などのナノ結晶軟磁性材料、パーマロイなどの材料で構成された高導電率部Ｂを有し、図４及び図５の平面図に示すように、コイル２１が巻回された真後ろに高導電率部Ｂがコイル２１の平面形状に沿ってドーナッツ状に配置され、それ以外は低導電率部Ａとされている。なお、電気導電率の大小は、フェライト＜パーマロイ＜ファインメット（登録商標）＜アルミニウムである。

図４に点線で示すように、コイル２１による磁束は、コイル２１の中心領域と外周領域においてコイル２１の軸方向Ｚに沿って磁性コア２２に入ることになるので、このコイル２１の中心領域と外周領域に対面する磁性コアの領域Ａを電気導電率が相対的に低いフェライトで構成することで、本来送電したい周波数成分である軸方向Ｚの磁束に影響を与えることがなく、給電効率の低下が防止される。これに対して、コイル２１の真後ろに対面する磁性コア２２には、同図の点線で示すようにＸ−Ｙ面方向の磁束が入ることになるので、同図のＸ部の拡大断面図に示すように矢印で示す渦電流が流れ、放射ノイズの原因となる高調波成分であるＸ−Ｙ面方向の磁束による渦電流を電流損失として消費することができる。

磁気コア２２のうち電気導電率が高い高導電率部Ｂは、電気導電率が低い低導電率部Ａのフェライトより電気導電率が高い、たとえばパーマロイ等の所定の電気導電率をもった磁性薄板材を複数積み重ねた積層磁性コア２２を用いることができる。積層磁性コア２２を構成する１枚の積層薄板材の厚さは、抑制目的とする高調波成分磁束のうち最低次数成分の表皮厚さ程度とすることができる。すなわち、抑制目的とする高調波成分磁束の角周波数域をω_１〜ω_２、積層磁性体の電気導電率をσ、透磁率をμとしたときに、積層磁性体を構成する１枚の磁性体の板厚δは、

［数１］
√（２／ω_１σμ）≦δ≦√（２／ω_２σμ）

で表すことができる。例えば、１００ｋＨｚ（＝ω／２π）の高調波成分を抑制目的とし、導電率が１５４Ｓ／ｍ，比透磁率（＝μ／１．２６×１０^−６）が３２０００であるパーマロイを積層材として用いる場合は、δ＝√｛（２／１０^５×２π×１５４×３２０００×１．２６×１０^−６）｝＝０．７１７ｍｍ程度とすることが望ましい。同様に、１ＭＨｚの高調波成分を抑制目的とし、上記パーマロイを積層材として用いる場合は、積層磁性体を構成する１枚の磁性体の板厚δは０．２２７ｍｍ程度とすることが望ましい。

また、図４及び図５に示すように積層磁性コア２２の内径Ｒ_１及び外径Ｒ_２は、コイル２１の内径Ｒ_ｃｉ、コイル２１の外径Ｒ_ｃｏ、磁性コア２２と磁束遮蔽板２３との距離Ｚ_１、α，βを正の定数としたときに下記数式２で決まる所定量とすることができる。

［数２］
Ｒ_１＝Ｒ_ｃｉ＋αＺ_１
Ｒ_２＝Ｒ_ｃｏ−βＺ_１

図６Ａは、積層磁性コア２２と磁束遮蔽板２３との距離Ｚ_１を２０ｍｍと４０ｍｍにした場合の積層磁性コア２２の背面（コイル２１から５ｍｍの部分）の磁束密度の変化を観察したグラフである。この結果から、積層磁性コア２２と磁束遮蔽板２３との距離Ｚ_１が大きいほど、強い磁束が中心側に進入することが理解できる。そして、この磁束Ｚは積層磁性コア２２の面内に直交する成分を有するため、図６Ｂに示すように大きい渦電流を発生させようとする。

そのため本例では、この磁束Ｚを受ける部分には電気導電率が低いフェライトなどの磁性体を用い、積層磁性コア２２と磁束遮蔽板２３との距離Ｚ_１に応じて積層磁性コア２２の外径Ｒ_２を上記数２式のように設定することが望ましい。すなわち、積層磁性コア２２と磁束遮蔽板２３との距離Ｚ_１が大きいほど積層磁性コア２２の外径Ｒ_２を小さくして磁性コア２２の外周の低導電率部Ａの範囲を大きくし、積層磁性コア２２と磁束遮蔽板２３との距離Ｚ_１が小さいほど積層磁性コア２２の外径Ｒ_２を大きくして磁性コア２２の外周の低導電率部Ａの範囲を小さく設定することが望ましい。

磁性コア２２を上述した積層磁性コア２２で構成するに際し、電気導電率の異なる積層薄板材を積層させてもよい。図７Ａは、本発明のさらに他の実施の形態に係る送電コイル２０を示す断面図であり、受電コイル１０についても同様である。図７Ｂは図７Ａの７Ｂ部を拡大した断面図であり、本例では、積層磁性コア２２の積層方向に対して中心側に電気導電率が高いファインメット（登録商標）などの高導電率磁性材料が積層され、積層方向の上側に電気伝導率がファインメット（登録商標）より低いパーマロイなどの低導電率磁性材料が積層されている。これにより、積層磁性コア２２の表面に集中しがちな磁束を中心側にも分散させることができ、より渦電流の消費による高周波成分の除去が可能となる。

また、これに代えて或いはこれとともに、積層方向の上側にパーマロイなどの低導電率磁性材料を積層し、積層磁性コア２２のコイル２１から離れた側にパーマロイより電気導電率が高いファインメット（登録商標）などの高導電率磁性材料を積層してもよい。これにより、コイル２１からの漏れ磁束又は鎖交磁束の廻り込み磁束による損失が低減できることになる。

磁性コア２２を上述した積層磁性コア２２で構成し、電気導電率の異なる積層薄板材を積層させるに際し、さらに改変してもよい。図８Ａは、本発明のさらに他の実施の形態に係る送電コイル２０を示す断面図であり、受電コイル１０についても同様である。図８Ｂは図８Ａの８Ｂ部を拡大した断面図であり、本例では、積層磁性コア２２の積層方向に対して上側及び下側に、中心側に対して電気導電率が低いフェライトなどの低導電率磁性材料が積層され、中心側にフェライトより電気導電率が高いファインメット（登録商標）やパーマロイなどの高導電率磁性材料が積層されている。

これにより、コイル２１からの漏れ磁束又は鎖交磁束の廻り込み磁束による損失が低減できることになる。なお、フェライトなどの低導電率磁性材料を積層するのは上側又は下側のいずれか一方でもよい。

以上の実施の形態では、図１及び２に示すように渦巻状コイルを有する受電コイル１０と給電コイル２０とを上下に縦置きするタイプの非接触給電装置について説明したが、本発明は図９Ａ及び９Ｂに示す横置きタイプの非接触給電装置にも適用することができる。本例の横置きタイプの非接触給電装置とは、直方体形状の磁性コア１２，２２のそれぞれに、図９Ａに示すようにコイル１１，２１を巻回することで受電コイル１０と給電コイル２０が構成されたものであり、給電時にはこれら受電コイル１０と給電コイル２０とを、図９Ｂに示すように磁束方向に対して互いに横に並べる。これにより給電コイルから受電コイルへ給電されるが、この種の横置きタイプの受電コイル１０及び給電コイル２０についても上述した各実施の形態を適用することができる。

さらに、図示は省略するが、磁束は積層磁性コア１２，２２の表面に集中しがちであるため、上述したように表面側に電気導電率が相対的に低い低導電率磁性材料を採用することに代えて或いはこれとともに、積層磁性コア１２，２２の中央側ほど積層材の板厚を厚くするか、又はコイル１１，２１から離れるほど積層材の板厚を厚くしてもよい。

以上のように、本例の磁性コア１２，２２は、コイル１１，２１の軸方向Ｚの電気導電率は低く、Ｘ−Ｙ平面方向の電気導電率は高い磁気異方性材にて構成しているので、軸方向Ｚに沿う磁束による渦電流は流れ難い一方で、Ｘ−Ｙ方向に沿う磁束による渦電流は流れ易い。その結果、本来送電したい周波数成分、すなわちコイル１１，２１の軸方向Ｚの磁束に影響を与えることなく（給電効率を低下させることなく）、放射ノイズの原因となる高調波成分、すなわちＸ−Ｙ面方向の磁束による渦電流を電流損失として消費することができる。

また本例の非接触給電装置１では、各磁性コア１２，２２の背面に磁束遮蔽体１３，２３が設けられているので、受電コイル１０および送電コイル２０からの磁界が受電コイル１０及び送電コイル２０の背面側に及ぶのを抑制することができる。

また本例の非接触給電装置１では、各磁性コア１２，２２は、コイル１１，２１の軸方向に複数の磁性体を積層した積層磁性コア１２，２２を含むので、各磁性体の厚さや電気導電率を設定することで、除去したい高周波成分を選択することができる。

また本例の非接触給電装置１では、積層磁性コア１２，２２は、コイル側に積層された磁性体の電気導電率に比べて、積層方向の中心側の磁性体の電気導電率の方が高い特性を有するので、積層磁性コア２２の表面に集中しがちな磁束を中心側にも分散させることができ、より渦電流の消費による高周波成分の除去が可能となる。

また本例の非接触給電装置１では、積層磁性コア１２，２２は、コイル側に積層された磁性体の板厚に比べて、積層方向の中心側の磁性体の板厚の方が厚いので、コイル２１からの漏れ磁束又は鎖交磁束の廻り込み磁束による損失が低減できることになる。

また本例の非接触給電装置１では、積層磁性コア１２，２２を構成する１枚の磁性体の板厚δは、抑制目的とする高調波成分磁束の角周波数域をω_１〜ω_２、前記積層磁性体の導電率をσ、透磁率をμとしたときに、
√（２／ω_１σμ）≦δ≦√（２／ω_２σμ）
であるので、除去目的とする高調波成分を効率よく除去することができる。

また本例の非接触給電装置１では、積層磁性コア１２，２２の外径Ｒ_２が、磁束遮蔽体１３，２３と積層磁性コア１２，２２との距離をＺ_１、α，βを正の定数としたときに、Ｒ_２＝Ｒ_ｃｏ−βＺ_１を満足するので、距離Ｚ_１に応じて高調波成分を効率よく除去することができる。

上記磁性コア１２，２２は本発明に係る磁性体に相当する。

１…非接触給電装置
１０…受電コイル
１１…コイル
１２…磁性コア
１３…磁気遮蔽板
１４…カバー
２０…送電コイル
２１…コイル
２２…磁性コア
２３…磁気遮蔽板
２４…カバー
３０…エアギャップ

Claims (7)

1. エアギャップを介して配置される一対のコイルと、
   前記各コイルの背面にそれぞれ設けられた磁性体と、を備え、
   前記一対のコイル間を非接触で給電する非接触給電装置において、
   前記磁性体の少なくとも一方は、当該磁性体の前面に設けられた前記コイルの軸方向の電気導電率に比べて当該軸方向に直交する面方向の電気導電率が高い特性を有する非接触給電装置。
2. 前記各磁性体の背面に磁束遮蔽体が設けられている請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記磁性体は、前記コイルの軸方向に複数の磁性体を積層した積層磁性体を含む請求項１又は２に記載の非接触給電装置。
4. 前記積層磁性体は、前記コイル側に積層された磁性体の電気導電率に比べて、積層方向の中心側の磁性体の電気導電率の方が高い特性を有する請求項３に記載の非接触給電装置。
5. 前記積層磁性体は、前記コイル側に積層された磁性体の板厚に比べて、積層方向の中心側の磁性体の板厚の方が厚い請求項３に記載の非接触給電装置。
6. 前記積層磁性体を構成する１枚の磁性体の板厚δは、抑制目的とする高調波成分磁束の角周波数域をω_１〜ω_２、前記積層磁性体の導電率をσ、透磁率をμとしたときに、
   √（２／ω_１σμ）≦δ≦√（２／ω_２σμ）
   である請求項３〜５のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
7. 前記コイルは、内径をＲ_ｃｉ、外径をＲ_ｃｏとする円環形に形成され、
   前記積層磁性体は、内径をＲ_１、外径をＲ_２とする円環形に形成され、
   前記磁束遮蔽体と前記積層磁性体との距離をＺ_１、α，βを正の定数としたときに、下記式が成立する請求項３〜６のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
   Ｒ_１＝Ｒ_ｃｉ＋αＺ_１
   Ｒ_２＝Ｒ_ｃｏ−βＺ_１

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