JP2014011332A - 非接触電力伝送用コイルユニット、受電装置、車両、および送電装置 - Google Patents

非接触電力伝送用コイルユニット、受電装置、車両、および送電装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電力伝送時の結合係数の向上を図ることができる非接触電力伝送用コイルユニット、当該コイルユニットを含む受電装置、車両、および送電装置を提供する。
【解決手段】非接触電力伝送用コイルユニットは、第1巻回軸線O1の周囲を取り囲むと共に第1巻回軸線O1の延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成された第1コイル部41と、第1コイル部41に接続された接続コイル部42,43とを備え、記接続コイル部42,43は、第1巻回軸線O1の延びる方向と異なる方向に延びる仮想線O3,O4の周囲を取り囲むように形成される。
【選択図】図7

Description

本発明は、非接触電力伝送用コイルユニット、受電装置、車両、および送電装置に関する。
近年、環境への配慮からバッテリなどの電力を用いて駆動輪を駆動させるハイブリッド車両や電気自動車などが着目されている。特に近年は、上記のようなバッテリを搭載した電動車両において、プラグなどを用いずに非接触でバッテリを充電可能なワイヤレス充電が着目されている。
たとえば、コアにコイルを巻回したユニットを用いて電力伝送をするシステムとして、特開2011−49230号公報、特開2011−97671号公報、特開2010−172084号公報、特開2011−50127号公報などが紹介されている。
さらに、国際公開第2011/016736号パンフレットや国際公開第2011/016737号パンフレットなどにも紹介されている。
特開2011−49230号公報 特開2011−97671号公報 特開2010−172084号公報 特開2011−50127号公報 国際公開第2011/016736号パンフレット 国際公開第2011/016737号パンフレット
たとえば、特開2011−49230号公報に記載された非接触電力給電装置においては、送電装置と受電装置とを含み、送電装置および受電装置のいずれも四角形状のコアにコイルを巻回した構成となっている。コイルは、板状のコアの中央部に巻回されている。
しかし、このような受電装置および送電装置においては、コアの端部から放射された磁束の一部が相手側のコアに向かわず、受電装置と送電装置との間の結合係数が低下するという問題があった。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電力伝送時の結合係数の向上を図ることができる非接触電力伝送用コイルユニット、当該コイルユニットを含む受電装置、車両、および送電装置を提供することである。
本発明に係る非接触電力伝送用コイルユニットは、第1巻回軸線の周囲を取り囲むと共に第1巻回軸線の延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成された第1コイル部と、第1コイル部に接続された接続コイル部とを備える。上記接続コイル部は、第1巻回軸線の延びる方向と異なる方向に延びる仮想線の周囲を取り囲むように形成される。
好ましくは、非接触電力伝送用コイルユニットは、コアをさらに備える。上記コアは、
第1コイル部が巻回された板状の第1巻回部を含む。上記第1巻回部は、第1主表面と第2主表面とを含む。上記接続コイル部は、第1主表面に配置された主面コイルを含む。
好ましくは、上記主面コイルの巻回軸線は、第1巻回軸線の延びる方向と直交する方向に延びる。好ましくは、上記接続コイル部は、仮想線が第1主表面と交差するように配置される。
好ましくは、上記第1コイル部は、第1端部と第2端部とを含む。上記接続コイル部は、第1端部に接続された第2コイル部と、第2端部に接続された第3コイル部とを含む。
好ましくは、上記第1主表面と第2主表面とを含む第1巻回部と、第1主表面から突出するように設けられ、第2コイル部が巻回された第2巻回部と、第1主表面から突出するように設けられ、第3コイル部が巻回された第3巻回部とを含むコアをさらに備える。
好ましくは、上記第2巻回部は、第1端面と、第1端面から第1主表面に向けて延びる第1周面とを含む。上記第3巻回部は、第2端面と、第2端面から第1主表面に向けて延びる第2周面とを含む。上記第1端面の面積は、第1巻回軸線に垂直な方向における第1巻回部の断面の面積よりも広い。上記第2端面の面積は、第1巻回軸線に垂直な方向における第1巻回部の断面積よりも広い。
好ましくは、上記第1主表面からの第2巻回部の高さと、第1主表面からの第3巻回部の高さとは、第1巻回部の厚さと実質的に等しい。好ましくは、上記主面コイルの巻回回数は、1巻き以下とされる。本発明に係る受電装置は、上記非接触電力伝送用コイルユニットを含む。
好ましくは、上記受電装置は、送電装置と非接触で電力を受電する受電装置であって、仮想線が下方に向けて延びるように、非接触電力伝送用コイルユニットは配置される。
好ましくは、上記送電装置は、送電部を含む。上記受電装置は、非接触電力伝送用コイルユニットを含む受電部を含む。上記送電部の固有周波数と受電部の固有周波数との差は、受電部の固有周波数の10%以下である。
好ましくは、上記送電装置は、送電部を含む。上記受電装置は、非接触電力伝送用コイルユニットを含む受電部を含む。上記受電部と送電部との結合係数は、0.1以下である。
好ましくは、上記送電装置は、送電部を含む。上記受電装置は、非接触電力伝送用コイルユニットを含む受電部を含む。上記受電部は、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて送電部から電力を受電する。
本発明に係る車両は、上記受電装置を備え、上記仮想線が下方に向かうように、非接触電力伝送用コイルユニットが配置される。
本発明に係る送電装置は、上記非接触電力伝送用コイルユニットを含む。好ましくは、上記仮想線が上方に向くように、非接触電力伝送用コイルユニットが配置される。
本発明に係る非接触電力伝送用コイルユニット、当該コイルユニットを含む受電装置、車両、および送電装置によれば、電力伝送時の結合係数の向上を図ることができる。
実施の形態1に係る電力伝送システム、車両および送電装置などを模式的に示す模式図である。 図1に示した電力伝送システムにおいて非接触電力伝送を実現する電気回路図である。 車両10の底面25を示す底面図である。 受電装置11を示す分解斜視図である。 コイルユニット24を示す斜視図である。 フェライトコア21を示す斜視図である。 2次コイル22を模式的に示す斜視図である。 図5に示すVIII−VIII線における断面図である。 送電部56と、受電部20とを対向させた状態を模式的に示す斜視図である。 電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。 固有周波数のズレ(%)と一定周波数での伝送効率(%)とを示すグラフである。 固有周波数f0を固定した状態で、エアギャップAGを変化させたときの電力伝送効率と、第1コイル58に供給される電流の周波数f3との関係を示すグラフである。 電流源または磁流源からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。 受電部20と送電部56との間で電力伝送を行っているときの様子を模式的に示す断面図である。 本実施の形態1に係るコイルユニット24Aを模式的に示した模式図である。 比較例1としてのコイルユニット24Bを模式的に示す模式図である。 比較例2としてのコイルユニット24Cを模式的に示す模式図である。 本実施の形態1に係るコイルユニット24Dを模式的に示す模式図である。 比較例3としてのコイルユニット24Eを示す模式図である。 本実施の形態1に係るコイルユニット24Aを2つ用いて、コイルユニット24A同士の間で電力伝送したときのシミュレーション結果を示す図である。 コイルユニット24B同士間で電力伝送したときのシミュレーション結果を示す図である。 本実施の形態2に係る受電部20を示す斜視図である。 本実施の形態3に係る受電装置11と、送電装置50とを模式的に示す斜視図である。 本実施の形態4に係る受電装置11を示す平面図である。 本実施の形態5に係る受電部20および送電部56を示す斜視図である。 本実施の形態6に係る受電部20と送電部56とを示す断面図である。 受電部20のコイルユニット24を模式的に示す斜視図である。
図1から図25を用いて、実施の形態に係る電力伝送システム、車両、受電装置、受電用コイルユニット、送電装置およびコイルユニットについて説明する。なお、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る電力伝送システム、車両および送電装置などを模式的に示
す模式図である。
本実施の形態1に係る電力伝送システムは、受電装置11を含む電動車両10と、送電装置50を含む外部給電装置51とを有する。電動車両10の受電装置11は、送電装置50が設けられた駐車スペース52の所定位置に停車して、主に、送電装置50から電力を受電する。
駐車スペース52には、電動車両10を所定の位置に停車させるように、輪止や駐車位置および駐車範囲を示すラインが設けられている。
外部給電装置51は、交流電源53に接続された高周波電力ドライバ54と、高周波電力ドライバ54などの駆動を制御する制御部55と、この高周波電力ドライバ54に接続された送電装置50とを含む。送電装置50は、送電部56を含み、送電部56は、コイルユニット60と、このコイルユニット60に接続されたキャパシタ59とを含む。コイルユニット60は、フェライトコア57と、このフェライトコア57に巻回された1次コイル58とを含む。第1コイル58は、高周波電力ドライバ54に接続されている。
図1において、電動車両10は、受電装置11と、受電装置11に接続された整流器13と、この整流器13に接続されたDC/DCコンバータ14と、このDC/DCコンバータ14に接続されたバッテリ15と、パワーコントロールユニット(PCU(Power Control Unit))16と、このパワーコントロールユニット16に接続されたモータユニット17と、DC/DCコンバータ14やパワーコントロールユニット16などの駆動を制御する車両ECU(Electronic Control Unit)12とを備える。なお、本実施の形態に係る電動車両10は、図示しないエンジンを備えたハイブリッド車両であるが、モータにより駆動される車両であれば、燃料電池車両も含む。
整流器13は、受電装置11に接続されており、受電装置11から供給される交流電流を直流電流に変換して、DC/DCコンバータ14に供給する。
DC/DCコンバータ14は、整流器13から供給された直流電流の電圧を調整して、バッテリ15に供給する。なお、DC/DCコンバータ14は必須の構成ではなく省略してもよい。この場合には、外部給電装置51にインピーダンスを整合するための整合器を送電装置50と高周波電力ドライバ54との間に設けることで、DC/DCコンバータ14の代用をすることができる。
パワーコントロールユニット16は、バッテリ15に接続されたコンバータと、このコンバータに接続されたインバータとを含み、コンバータは、バッテリ15から供給される直流電流を調整(昇圧)して、インバータに供給する。インバータは、コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して、モータユニット17に供給する。
モータユニット17は、たとえば、三相交流モータなどが採用されており、パワーコントロールユニット16のインバータから供給される交流電流によって駆動する。
なお、電動車両10は、エンジンまたは燃料電池をさらに備えてもよい。モータユニット17は、発電機として主に機能するモータジェネレータと、電動機として主に機能するモータジェネレータとを含む。
受電装置11は、受電部20を含む。受電部20は、コイルユニット24と、このコイルユニット24に接続されたキャパシタ23とを含む。コイルユニット24は、フェライトコア21と、フェライトコア21に巻回された2次コイル22とを含む。なお、受電部
20においても、キャパシタ23は、必須の構成ではない。第2コイル22は、整流器13に接続されている。
図2は、図1に示した電力伝送システムにおいて非接触電力伝送を実現する電気回路図である。なお、この図2に示される回路構成は一例であって、非接触電力伝送を実現するための構成が図2の構成に限定されるものではない。
2次コイル22は、キャパシタ23とともに共振回路を形成し、外部給電装置51の送電部56から送出される電力を非接触で受電する。なお、特に図示しないが、2次コイル22およびキャパシタ23によって閉ループを形成し、2次コイル22により受電された交流電力を電磁誘導により2次コイル22から取出して整流器13へ出力するコイルを別途設けてもよい。
一方、1次コイル58は、キャパシタ59とともに共振回路を形成し、交流電源53から供給される交流電力を受電部20へ非接触で送電する。なお、特に図示しないが、1次コイル58およびキャパシタ59によって閉ループを形成し、交流電源53から出力される交流電力を電磁誘導により1次コイル58へ供給するコイルを別途設けてもよい。
なお、キャパシタ23,59は、共振回路の固有周波数を調整するために設けられるものであり、1次コイル58および2次コイル22の浮遊容量を利用して所望の固有周波数が得られる場合には、キャパシタ23,59を設けない構成としてもよい。
図3は、車両10の底面25を示す底面図である。車両10は、車両10の底部に設けられたフロアパネル26を含む。フロアパネル26は、車両の内部と車両の外部とを区画する板状の部材である。
車両10の底面25とは、車両10のタイヤが地面と接地された状態において、車両10に対して鉛直方向下方に離れた位置から車両10を見たときに見える面である。受電装置11は、車両10の底面25に設けられている。
図4は、受電装置11を示す分解斜視図である。この図4において、「D」は、鉛直方向下方Dを示す。「U」は、鉛直方向上方Uを示す。「L」は、車両左方向Lを示す。「R」は、車両右方向Rを示す。「F」は、車両前方向Fを示す。「B」は、車両後方向Bを示す。
受電装置11は、受電部20と、受電部20を内部に収容する筐体27とを備える。筐体27は、開口部を有する有底状のシールド28と、シールド28の開口部を閉塞するように配置された蓋部29とを備える。シールド28は、フロアパネル26と対向する天板部と、天板部から鉛直方向下方Dに垂れ下がる環状の周壁部とを含む。シールド28は、たとえば、銅などの金属材料から形成されている。
蓋部29は、シールド28の開口部を閉塞するように形成されており、たとえば、樹脂材料などから形成されている。
図5は、コイルユニット24を示す斜視図である。フェライトコア21は、板状に形成された板部30と、板部30に設けられた突出部31と、板部30に設けられた突出部32とを含む。
板部30は、厚さ方向に配列する主表面33および主表面34を含む。板部30は、平板状の直方体形状に形成されており、板部30の長手方向が車両の前後方向となるように
配置されている。主表面33は、鉛直方向下方Dに向けられており、主表面34は、鉛直方向上方Uに向けられている。
図6は、フェライトコア21を示す斜視図である。この図6に示すように、板部30は、幅方向に配列する側面35および側面36と、長手方向に配列する側面37および側面38とを含む。
突出部31は、主表面33のうち、側面37側の周縁部に沿って配置されている。突出部32は、主表面33のうち、側面38側の周縁部に沿って配置されている。
突出部31は板状に形成されている。突出部31は、鉛直方向下方Dに向く端面39と、端面39の周囲に位置し、主表面33に向けて垂下する周面とを含む。突出部31の周面は、板部30の幅方向に配列する側面35aおよび側面36aと、板部30の長手方向に配列する側面37aおよび側面38aとを含む。
突出部32も板状に形成されている。突出部32は、鉛直方向下方Dに向く端面40と、端面40の周囲に位置し、主表面33に向けて垂下する周面とを含む。突出部32の周面は、板部30の幅方向に配列する側面35bおよび側面36bと、板部30の長手方向に配列する側面37bおよび側面38bとを含む。
ここで、2次コイル22のうち、板部30に巻回される部分の巻回軸線を巻回軸線O1とし、巻回軸線O1に垂直な方向における板部30の断面積を断面積S1とする。端面39の面積は、断面積S1よりも広く、端面40の面積は、断面積S1よりも広い。巻回軸線O1の延びる方向の突出部31の長さL1は、板部30の厚さTよりも長い。
突出部31の厚さT1と、突出部32の厚さT2は、板部30の厚さTと実質的に同じである。また、突出部31の厚さT1と、突出部32の厚さT2とは、2次コイル22の直径D1よりと実質的に同一である。突出部31の厚さT1とは、主表面33から端面39までの高さであり、突出部32の厚さT2とは主表面33から端面40までの高さである。
図5において、2次コイル22は、板部30の外周面に巻回された第1コイル41と、突出部31の周面に巻回された第2コイル42と、突出部32の周面に巻回された第3コイル43とを含む。
図7は、2次コイル22を模式的に示す斜視図である。図7において、2次コイル22は、第1コイル41と、第1コイル41の第1端部44に接続された第2コイル42と、第1コイル41の第2端部45に接続された第3コイル43とを含む。
第1コイル41は、巻回軸線O1の延びる方向に配列する複数の単位コイル80を含む。第1コイル41は、第1端部44から第2端部45に向かうにつれて、巻回軸線O1の周囲を取り囲むと共に、巻回軸線O1の延びる方向に変位するようにコイル線を巻回するように形成されている。
第2コイル42は、仮想線O3の周囲を取り囲むように形成されており、仮想線O3の延びる方向は、巻回軸線O1の延びる方向と異なる。
第2コイル42は、第1コイル41の第1端部44に接続された傾斜単位コイル81と、傾斜単位コイル81に接続された主面コイル82とを含む。
傾斜単位コイル81は、巻回軸線O5の周囲を取り囲むように形成されている。巻回軸線O5の延びる方向は、巻回軸線O1と異なる方向である。傾斜単位コイル81は、図6に示すフェライトコア21の側面35に位置する部分と、主表面34に位置する部分と、側面36に位置する部分とを含む。
主面コイル82は、主表面33上に配置されている。この実施の形態1においては、主面コイル82は、突出部31の周面に巻回されている。主面コイル82は、巻回軸線O6の周囲を取り囲むように形成されている。巻回軸線O6の延びる方向は、巻回軸線O1延びる方向と直交する方向であり、主表面33を通る。
なお、主面コイル82は、図6に示す突出部31の側面38aに沿って延びる部分と、側面35aに沿って延びる部分と、側面37aに沿って延びる部分とを含む。このように、第2コイル42の巻回数は、1巻き以下とされている。そして、端面37aに沿って延びる部分が引き出されて、キャパシタ23に接続されている。
このように、仮想線O3は、巻回軸線O5と巻回軸線O6とを含み、仮想線O3は、直線に限られない。なお、本実施の形態に係る受電部20においては、第2コイル42は、傾斜単位コイル81と主面コイル82とを含むが、傾斜単位コイル81のみでもよく、主面コイル82のみでもよい。さらに、たとえば、第2コイル42は、複数の傾斜単位コイル81と、傾斜単位コイル81に接続された主面コイル82とを備えてもよい。このように、仮想線O3は、直線状、折れ線状、曲線状のいずれの場合もある。
第3コイル43は、巻回軸線O4の周囲を取り囲むように形成されており、巻回軸線O4の延びる方向は、巻回軸線O1の延びる方向と異なる。
第1コイル41の第2端部45に接続された傾斜単位コイル83と、傾斜単位コイル83に接続された主面コイル84とを含む。
傾斜単位コイル83は、巻回軸線O7の周囲を取り囲むように形成されている。巻回軸線O7の延びる方向は、巻回軸線O1が延びる方向と異なる。
傾斜単位コイル83は、図6に示す板部30の側面36に位置する部分と、板部30の主表面34に位置する部分と、側面35に位置する部分と、主表面33に位置する部分とを含む。
主面コイル84は、図6に示す主表面33上に位置している。主面コイル84は、突出部32の周面を取り囲むように形成されている。主面コイル84は、図6に示す突出部32の側面36bに沿って延びる部分と、側面38bに沿って延びる部分と、側面35bに沿って延びる部分と、側面37bに沿って延びる部分とを含む。そして、側面37bに沿って延びる部分が引き出されて、キャパシタ23に接続されている。このように、主面コイル84の巻回数は、1巻きとされている。
図8は、図5に示すVIII−VIII線における断面図である。この図8に示すように、主面コイル82の巻回数および主面コイル84の巻回数は、1巻き以下である。このため、主面コイル82および主面コイル84の高さは、実質的にコイル線の径である。また、突出部31および突出部32の高さも、コイル線の径と実質的に一致している。このため、コイルユニット24の厚さが厚くなることが抑制されている。
図9は、送電部56と、受電部20とを対向させた状態を模式的に示す斜視図である。送電部56と、受電部20とは略同一の構成となっている。この図9に示すように、送電
部56は、コイルユニット60とキャパシタ59とを含む。コイルユニット60は、1次コイル58と、フェライトコア57とを含み、フェライトコア57は、板状に形成された板部61と、板部61に設けられた突出部62と、板部61に設けられた突出部63とを含む。
板部61は、直方体状の板状に形成されており、板部61は、鉛直方向上方Uに向けて配置された主表面64と、鉛直方向下方Dに向けて配置された主表面65とを含む。突出部62および突出部63は、主表面64上に配置されている。
突出部62および突出部63は、板部61の長手方向に間隔をあけて配置されている。突出部62および突出部63は、長手方向に配列する主表面64の辺部に沿って配置されている。
突出部62の高さは、1次コイル58のコイル線の断面径と実質的に等しく、突出部63の高さは、1次コイル58のコイル線の断面径と実質的に等しい。
1次コイル58は、板部61の周面に巻回された第4コイル部66と、突出部62の周面に巻回された第5コイル部67と、突出部63の周面に巻回された第6コイル部68とを含む。第4コイル部66は、巻回軸線O10の延びる方向に配列する複数の単位コイル70を含み、第4コイル部66は、一端から他端に向かうにつれて、巻回軸線O10の周囲を取り囲むと共に、巻回軸線O10の延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成されている。
第5コイル部67は、第4コイル部66の端部に接続された傾斜単位コイル71と、傾斜単位コイル71に接続された主面コイル72とを含む。傾斜単位コイル71の巻回軸線は、巻回軸線O10と交差する方向に延びる。主面コイル72は、突出部62の周面に巻回されており、板部61の主表面64上に位置している。主面コイル72は、巻回軸線O1と直交する方向に延びる巻回軸線O11の周囲を取り囲むように形成されている。主面コイル72の巻回数は、1巻きである。
第6コイル部68は、1次コイル58の端部に接続された傾斜単位コイル73と、傾斜単位コイル73に接続された主面コイル74とを含む。傾斜単位コイル73の巻回軸線は、巻回軸線O10と交差する方向に延びる。主面コイル74は、突出部63の周面に巻回されており、主表面64上に位置している。主面コイル74の巻回数は、略1巻きである。
このように、主面コイル72の巻回数と主面コイル74の巻回数とは、いずれも1巻き以下である。さらに、突出部62,63の高さがコイル線の断面径と実質的に等しいので、コイルユニット60の厚さが厚くなることが抑制されている。
なお、突出部62の端面の面積は、巻回軸線O10に垂直な方向における板部61の断面の面積よりも広い。突出部63の端面の面積は、巻回軸線O10に垂直な方向における板部61の断面の面積よりも広い。
ここで、コイルユニット60と、コイルユニット24とを対向配置させるとは、コイルユニット60の表面のうち、最も面積が広い部分(面)と、コイルユニット24の表面のうち、最も面積が広い部分(面)とが、向かい合うことを意味する。
コイルユニット60の表面は、主に、上面と、下面と、4つの側面とを含む。そして、本実施の形態1においては、上面と下面との面積が他の面よりも面積が広い。同様に、コ
イルユニット24も、上面と、下面と、4つの側面とを含み、上面と下面とが他の面よりも面積が広い。
そして、本実施の形態1においては、電力伝送時には、コイルユニット24の下面と、コイルユニット60の上面とが向かい合うように配置される。
上記のように構成された電力伝送システムにおいて、電力伝送するときの各動作原理などについて説明する。
図1において、外部給電装置51から車両10に電力を伝送する際には、図9に示すように、受電部20と送電部56とが対向するように、車両10が停車する。
本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部56の固有周波数と、受電部20の固有周波数との差は、受電部20または送電部56の固有周波数の10%以下である。このような範囲に各送電部56および受電部20の固有周波数を設定することで、電力伝送効率を高めることができる。その一方で、固有周波数の差が受電部20または送電部56の固有周波数の10%よりも大きくなると、電力伝送効率が10%より小さくなり、バッテリ15の充電時間が長くなるなどの弊害が生じる。
ここで、送電部56の固有周波数とは、キャパシタ59が設けられていない場合には、第1コイル58のインダクタンスと、第1コイル58のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ59が設けられた場合には、送電部56の固有周波数とは、第1コイル58およびキャパシタ59のキャパシタンスと、第1コイル58のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、送電部56の共振周波数とも呼ばれる。
同様に、受電部20の固有周波数とは、キャパシタ23が設けられていない場合には、第2コイル22のインダクタンスと、第2コイル22のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ23が設けられた場合には、受電部20の固有周波数とは、第2コイル22およびキャパシタ23のキャパシタンスと、第2コイル22のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、受電部20の共振周波数とも呼ばれる。
図10および図11を用いて、固有周波数の差と電力伝送効率との関係とを解析したシミュレーション結果について説明する。図10は、電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す。電力伝送システムは、送電装置190と、受電装置191とを備え、送電装置190は、コイル192(電磁誘導コイル)と、送電部193とを含む。送電部193は、コイル194(1次コイル)と、コイル194に設けられたキャパシタ195とを含む。
受電装置191は、受電部196と、コイル197(電磁誘導コイル)とを備える。受電部196は、コイル199とこのコイル199(2次コイル)に接続されたキャパシタ198とを含む。
コイル194のインダクタンスをインダクタンスLtとし、キャパシタ195のキャパシタンスをキャパシタンスC1とする。コイル199のインダクタンスをインダクタンスLrとし、キャパシタ198のキャパシタンスをキャパシタンスC2とする。このように各パラメータを設定すると、送電部193の固有周波数f1は、下記の式(1)によって
示され、受電部196の固有周波数f2は、下記の式(2)によって示される。
f1=1/{2π(Lt×C1)1/2}・・・(1)
f2=1/{2π(Lr×C2)1/2}・・・(2)
ここで、インダクタンスLrおよびキャパシタンスC1,C2を固定して、インダクタンスLtのみを変化させた場合において、送電部193および受電部196の固有周波数のズレと、電力伝送効率との関係を図10に示す。なお、このシミュレーションにおいては、コイル194およびコイル199の相対的な位置関係は固定した状態であって、さらに、送電部193に供給される電流の周波数は一定である。
図11に示すグラフのうち、横軸は、固有周波数のズレ(%)を示し、縦軸は、一定周波数での伝送効率(%)を示す。固有周波数のズレ(%)は、下記式(3)によって示される。
(固有周波数のズレ)={(f1−f2)/f2}×100(%)・・・(3)
図11からも明らかなように、固有周波数のズレ(%)が±0%の場合には、電力伝送効率は、100%近くとなる。固有周波数のズレ(%)が±5%の場合には、電力伝送効率は、40%となる。固有周波数のズレ(%)が±10%の場合には、電力伝送効率は、10%となる。固有周波数のズレ(%)が±15%の場合には、電力伝送効率は、5%となる。すなわち、固有周波数のズレ(%)の絶対値(固有周波数の差)が、受電部196の固有周波数の10%以下の範囲となるように各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率を高めることができることがわかる。さらに、固有周波数のズレ(%)の絶対値が受電部196の固有周波数の5%以下となるように、各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率をより高めることができることがわかる。なお、シミュレーションソフトしては、電磁界解析ソフトウェア(JMAG(登録商標):株式会社JSOL製)を採用している。
次に、本実施の形態に係る電力伝送システムの動作について説明する。
図1において、第1コイル58には、高周波電力ドライバ54から交流電力が供給される。この際、第1コイル58を流れる交流電流の周波数が特定の周波数となるように電力が供給されている。
第1コイル58に特定の周波数の電流が流れると、第1コイル58の周囲には特定の周波数で振動する電磁界が形成される。
第2コイル22は、第1コイル58から所定範囲内に配置されており、第2コイル22は第1コイル58の周囲に形成された電磁界から電力を受け取る。
本実施の形態においては、第2コイル22および第1コイル58は、所謂、ヘリカルコイルが採用されている。このため、第1コイル58の周囲には、特定の周波数で振動する磁界および電界が形成され、第2コイル22は主に当該磁界から電力を受け取る。
ここで、第1コイル58の周囲に形成される特定の周波数の磁界について説明する。「特定の周波数の磁界」は、典型的には、電力伝送効率と第1コイル58に供給される電流の周波数と関連性を有する。そこで、まず、電力伝送効率と、第1コイル58に供給される電流の周波数との関係について説明する。第1コイル58から第2コイル22に電力を伝送するときの電力伝送効率は、第1コイル58および第2コイル22の間の距離などの様々な要因よって変化する。たとえば、送電部56および受電部20の固有周波数(共振周波数)を固有周波数f0とし、第1コイル58に供給される電流の周波数を周波数f3とし、第2コイル22および第1コイル58の間のエアギャップをエアギャップAGとす
る。
図12は、固有周波数f0を固定した状態で、エアギャップAGを変化させたときの電力伝送効率と、第1コイル58に供給される電流の周波数f3との関係を示すグラフである。
図12に示すグラフにおいて、横軸は、第1コイル58に供給する電流の周波数f3を示し、縦軸は、電力伝送効率(%)を示す。効率曲線L1は、エアギャップAGが小さいときの電力伝送効率と、第1コイル58に供給する電流の周波数f3との関係を模式的に示す。この効率曲線L1に示すように、エアギャップAGが小さい場合には、電力伝送効率のピークは周波数f4,f5(f4<f5)において生じる。エアギャップAGを大きくすると、電力伝送効率が高くなるときの2つのピークは、互いに近づくように変化する。そして、効率曲線L2に示すように、エアギャップAGを所定距離よりも大きくすると、電力伝送効率のピークは1つとなり、第1コイル58に供給する電流の周波数が周波数f6のときに電力伝送効率がピークとなる。エアギャップAGを効率曲線L2の状態よりもさらに大きくすると、効率曲線L3に示すように電力伝送効率のピークが小さくなる。
たとえば、電力伝送効率の向上を図るため手法として次のような第1の手法が考えられる。第1の手法としては、図1に示す第1コイル58に供給する電流の周波数を一定として、エアギャップAGにあわせて、キャパシタ59やキャパシタ23のキャパシタンスを変化させることで、送電部56と受電部20との間での電力伝送効率の特性を変化させる手法が挙げられる。具体的には、第1コイル58に供給される電流の周波数を一定とした状態で、電力伝送効率がピークとなるように、キャパシタ59およびキャパシタ23のキャパシタンスを調整する。この手法では、エアギャップAGの大きさに関係なく、第1コイル58および第2コイル22に流れる電流の周波数は一定である。なお、電力伝送効率の特性を変化させる手法としては、送電装置50と高周波電力ドライバ54との間に設けられた整合器を利用する手法や、コンバータ14を利用する手法などを採用することもできる。
また、第2の手法としては、エアギャップAGの大きさに基づいて、第1コイル58に供給する電流の周波数を調整する手法である。たとえば、図11において、電力伝送特性が効率曲線L1となる場合には、第1コイル58には周波数が周波数f4または周波数f5の電流を第1コイル58に供給する。そして、周波数特性が効率曲線L2,L3となる場合には、周波数が周波数f6の電流を第1コイル58に供給する。この場合では、エアギャップAGの大きさに合わせて第1コイル58および第2コイル22に流れる電流の周波数を変化させることになる。
第1の手法では、第1コイル58を流れる電流の周波数は、固定された一定の周波数となり、第2の手法では、第1コイル58を流れる周波数は、エアギャップAGによって適宜変化する周波数となる。第1の手法や第2の手法などによって、電力伝送効率が高くなるように設定された特定の周波数の電流が第1コイル58に供給される。第1コイル58に特定の周波数の電流が流れることで、第1コイル58の周囲には、特定の周波数で振動する磁界(電磁界)が形成される。受電部20は、受電部20と送電部56の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界を通じて送電部56から電力を受電している。したがって、「特定の周波数で振動する磁界」とは、必ずしも固定された周波数の磁界とは限らない。なお、上記の例では、エアギャップAGに着目して、第1コイル58に供給する電流の周波数を設定するようにしているが、電力伝送効率は、第1コイル58および第2コイル22の水平方向のずれ等のように他の要因によっても変化するものであり、当該他の要因に基づいて、第1コイル58に供給する電流の周波数を調整する場合がある。
なお共鳴コイルとしてヘリカルコイルを採用した例について説明したが、共鳴コイルとして、メアンダラインなどのアンテナなどを採用した場合には、第1コイル58に特定の周波数の電流が流れることで、特定の周波数の電界が第1コイル58の周囲に形成される。そして、この電界をとおして、送電部56と受電部20との間で電力伝送が行われる。
本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、電磁界の「静電磁界」が支配的な近接場(エバネッセント場)を利用することで、送電および受電効率の向上が図られている。図13は、電流源または磁流源からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。図13を参照して、電磁界は3つの成分から成る。曲線k1は、波源からの距離に反比例した成分であり、「輻射電磁界」と称される。曲線k2は、波源からの距離の2乗に反比例した成分であり、「誘導電磁界」と称される。また、曲線k3は、波源からの距離の3乗に反比例した成分であり、「静電磁界」と称される。なお、電磁界の波長を「λ」とすると、「輻射電磁界」と「誘導電磁界」と「静電磁界」との強さが略等しくなる距離は、λ/2πとあらわすことができる。
「静電磁界」は、波源からの距離とともに急激に電磁波の強度が減少する領域であり、本実施の形態に係る電力伝送システムでは、この「静電磁界」が支配的な近接場(エバネッセント場)を利用してエネルギー(電力)の伝送が行なわれる。すなわち、「静電磁界」が支配的な近接場において、近接する固有周波数を有する送電部56および受電部20(たとえば一対のLC共振コイル)を共鳴させることにより、送電部56から他方の受電部20へエネルギー(電力)を伝送する。この「静電磁界」は遠方にエネルギーを伝播しないので、遠方までエネルギーを伝播する「輻射電磁界」によってエネルギー(電力)を伝送する電磁波に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギー損失で送電することができる。
このように、この電力伝送システムにおいては、送電部と受電部とを電磁界によって共振(共鳴)させることで送電部と受電部との間で非接触で電力が送電される。このような受電部と送電部との間に形成される電磁場は、たとえば、近接場共振(共鳴)結合場という場合がある。そして、送電部と受電部との間の結合係数κは、たとえば、0.3以下程度であり、好ましくは、0.1以下である。当然のことながら、結合係数κを0.1〜0.3程度の範囲も採用することができる。結合係数κは、このような値に限定されるものでなく、電力伝送が良好となる種々の値をとり得る。
本実施の形態の電力伝送における送電部56と受電部20との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界(磁場)共鳴結合」、「磁場共振(共鳴)結合」、「近接場共振(共鳴)結合」、「電磁界(電磁場)共振結合」または「電界(電場)共振結合」という。
「電磁界(電磁場)共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界(磁場)共鳴結合」、「電界(電場)共振結合」のいずれも含む結合を意味する。
本明細書中で説明した送電部56の第1コイル58と受電部20の第2コイル22とは、コイル形状のアンテナが採用されているため、送電部56と受電部20とは主に、磁界によって結合しており、送電部56と受電部20とは、「磁気共鳴結合」または「磁界(磁場)共鳴結合」している。
なお、第1コイル58,22として、たとえば、メアンダラインなどのアンテナを採用することも可能であり、この場合には、送電部56と受電部20とは主に、電界によって結合している。このときには、送電部56と受電部20とは、「電界(電場)共振結合」している。
次に、図14などを用いて、本実施の形態に係る受電部20および送電部56の間で電力伝送を行ったときについて説明する。図14は、受電部20と送電部56との間で電力伝送を行っているときの様子を模式的に示す断面図である。
電力伝送を行う際には、受電部20の主表面33と、送電部56の主表面64とが対向する。受電部20の突出部32と送電部56の突出部62とが対向し、受電部20の突出部31と、送電部56の突出部63とが対向する。
ここで、コイルユニット24とコイルユニット60とが対向した状態において、コイルユニット60がコイルユニット24と対向するコイルユニット60の対向面について説明する。コイルユニット60の対向面とは、コイルユニット60の表面のうち、巻回軸線O10よりもコイルユニット24側に位置する部分を意味する。なお、図14に示す例においては、コイルユニット60の対向面とは、主に、主表面64と、突出部62の端面と、突出部63の端面とを含む。
同様に、コイルユニット24とコイルユニット60とが対向した状態において、コイルユニット24がコイルユニット60と対向するコイルユニット24の対向面とは、コイルユニット24の表面のうち、巻回軸線O1よりもコイルユニット60側に位置する部分を意味する。
なお、図14に示す例においては、コイルユニット24の対向面とは、主に、主表面33と、突出部32の端面と、突出部31の端面とを含む。
このように、コイルユニット24とコイルユニット60とが対向した状態において、1次コイル58に所定の周波数の電流が流れると、たとえば、第4コイル部66(板部61)内を磁束が流れ、第5コイル部67に向けて磁束が流れる。
第4コイル部66の巻回軸線O10は、水平方向に延びる。傾斜単位コイル71の巻回軸線は、巻回軸線O1から曲がり、第5コイル部67の巻回軸線O11は、鉛直方向上方Uに向けて延びる。このように、受電部20(コイルユニット24)と送電部56(コイルユニット60)とが対向した状態で、巻回軸線O11は、受電部20に向けて延びる。このため、磁束も第5コイル部67の巻回軸線に沿って曲げられ、磁束は、突出部62の端面から鉛直方向上方Uに放射される。
特に、主面コイル72は、突出部62の周面に巻回されているため、磁束は良好に鉛直方向上方Uに放射される。
受電部20の第1コイル41の巻回軸線O1は、水平方向に延びるように配置されている一方で、第3コイル43の巻回軸線O4も、巻回軸線O1から鉛直方向下方Dにのびるように曲げられている。すなわち、受電部20(コイルユニット24)と送電部56(コイルユニット60)とが対向した状態で、巻回軸線O4は、送電部56(コイルユニット60)に向けて延びる。そして、巻回軸線O4は、コイルユニット60の対向面を貫くように延びる。具体的には、巻回軸線O4は、コイルユニット60の対向面のうち、突出部62の端面を貫く。このため、磁束は、第3コイル43から2次コイル22内に良好に入り込む。そして、磁束は、第3コイル43の巻回軸線O4に沿って曲がり、第1コイル41内に入り込む。
特に、主面コイル84は、突出部32の周面に巻回されているので、磁束は、突出部32から良好に第3コイル43内に入り込む。そして、第3コイル43から入り込んだ磁束は、巻回軸線O4に沿って曲がり、第1コイル41内に入り込む。第1コイル41は板部
30に巻回されているため、磁気抵抗が小さく、磁束が良好に、第2コイル42に向けて流れる。
第2コイル42の仮想線O3も、巻回軸線O1から曲げられ、鉛直方向下方Dに向けて延びる。仮想線O3は、コイルユニット60の対向面のうち、突出部63の端面を貫くように延びる。このため、第1コイル41から第2コイル42内に入り込んだ磁束も、仮想線O3に沿って曲がり、第2コイル42から鉛直方向下方Dに向かう。
この際、主面コイル82は、突出部31の周面に巻回されているため、磁束は、突出部31の端面から良好に鉛直方向上方Uに向けて放射される。
第6コイル部68の巻回軸線O12は、巻回軸線O10から鉛直方向上方Uに向かうように延びている。すなわち、巻回軸線O12も、突出部31の端面を貫く方向に延びる。このため、第2コイル42から出てきた磁束は、良好に第6コイル部68内に入り込む。そして、巻回軸線O12に沿って曲がり、第4コイル部66内に入り込む。
磁束の流れは、上記のような流れに限られず、当然のことながら、経時的に磁束の流れは逆方向に切り替わる。このようにして、磁路85が形成される。磁路85は、第4コイル部66(板部61)内と、傾斜単位コイル71内と、主面コイル72(突出部62)内と、エアギャップと、主面コイル84(突出部32)内と、傾斜単位コイル83内と、第1コイル41(板部30)内と、傾斜単位コイル81内と、主面コイル82(突出部31)内と、エアギャップと、主面コイル74(突出部63)内と、傾斜単位コイル73内とを通る。
上述のように、第5コイル部67および第3コイル43は、相互に磁束が通り易いように、磁束を案内している。
このように、コイルユニット24を備えた受電部20とコイルユニット60を備えた送電部56とによれば、磁路を良好に形成することができ、受電部20と送電部56との間の結合係数を高めることができる。これにより、電力伝送を高効率に行うことができる。
さらに、第2コイル42と第6コイル部68との間と、第3コイル43と第5コイル部67との間とで磁路が膨らむことが抑制されているので、車両10の周囲に形成される電磁界強度を低く抑えることができる。
コイルユニット24,60は、薄型化が図られており、受電部20および送電部56の小型化を図ることができる。
また、突出部31の端面39の面積は、断面積S1よりも広く、さらに、突出部32の端面40の面積も断面積S1よりも広い。このため、受電部20と送電部56とが相対的に位置ずれしたとしても、高い電力伝送効率を維持することができる。特に、送電部56においても、突出部62,63の端面の面積が板部61の断面積よりも広いので、さらに、位置ずれ特性の向上を図ることができる。
なお、上記図1から図14に示す例においては、突出部31および突出部32が設けられた例について説明したが、突出部31および突出部32は、必須の構成ではない。また、上記図1から図14に示す例においては、第2コイル42および第3コイル43のいずれも設けられた例について説明したが、第2コイル42および第3コイル43のいずれか一方のみを設けるようにしてもよい。
次に、図15から図19と、下記表1とを用いて、本実施の形態に係るコイルユニットと、比較例に係るコイルユニットとについて説明する。
図15は、本実施の形態1に係るコイルユニット24Aを模式的に示した模式図である。図16は、比較例1としてのコイルユニット24Bを模式的に示す模式図である。図1
7は、比較例2としてのコイルユニット24Cを模式的に示す模式図である。図18は、本実施の形態1に係るコイルユニット24Dを模式的に示す模式図である。図19は、比較例3としてのコイルユニット24Eを示す模式図である。
表1において、各コイルユニット24A〜24Eの「コイル形状」と、「巻き数」と、「コアの形状」とが記載されている。そして、同種の2つのコイルユニットの間で電力伝送を行った時のシミュレーション結果として、「Ls(インダクタンス)」と「Lo(無効インダクタンス)」と、「結合係数」とが記載されている。
表1に示すように、比較例のコイルユニット24B,24C,24Eのうち、コイルユニット24Bが最も結合係数が高い。本実施の形態1に係るコイルユニット24Aは、コイルユニット24B,24C,24Eよりも結合係数が向上していることが分かる。さらに、本実施の形態1に係るコイルユニット24Dは、コイルユニット24B,24C,24Eよりも結合係数が向上していることが分かる。
このように、本実施の形態1に係るコイルユニットを用いることで、結合係数の向上を図ることができることが分かる。
特に、コイルユニット24Aに示すように、突出部31および突出部32を設けることで、結合係数の向上を図ることができることが分かる。
図20は、本実施の形態1に係るコイルユニット24Aを2つ用いて、コイルユニット24A同士の間で電力伝送したときのシミュレーション結果を示す図である。この図20においては、磁界分布と、磁界ベクトルとを示す。
図21は、コイルユニット24B同士間で電力伝送したときのシミュレーション結果を示す図である。この図21においても、磁界分布と磁界ベクトルとを示す。
(実施の形態2)
図22を用いて、本実施の形態2に係るコイルユニットなどについて説明する。図22は、本実施の形態2に係る受電部20を示す斜視図である。なお、この図22に示す例においては、筐体の蓋部を省略している。
図22に示すように、受電装置11は、コイルユニット24とキャパシタ23と、これらコイルユニット24およびキャパシタ23を収容する筐体27とを含む。筐体27内には、整流器13も収容されている。
コイルユニット24は、フェライトコア21と、このフェライトコア21に巻回された2次コイル22とを含む。フェライトコア21は、主表面33および主表面34を含み板状に形成された板部30と、主表面33に設けられた磁極部46と、主表面33に設けられた磁極部47とを含む。
磁極部46と磁極部47とは、巻回軸線O1の延びる方向に間隔をあけて配置されている。巻回軸線O1に垂直な方向における板部30の幅を幅L10とし、巻回軸線O1に垂直な方向における磁極部46の長さを長さL11とすると、長さL11は、幅L10よりも長い。
巻回軸線O1に垂直な方向における板部30の中央部を中央部P1とし、巻回軸線O1に垂直な方向における磁極部46の中央部を中央部P2とする。同様に、巻回軸線O1に垂直な方向における磁極部47の中央部を中央部P3とする。巻回軸線O1に垂直な方向
において、中央部P2および中央部P3は、中央部P1から同じ方向にずれている。このように、フェライトコア21は、巻回軸線O1に対して非対称となるように形成されている。
そして、凹部48および凹部49が板部30と磁極部46と磁極部47とによって形成される。凹部48は、板部30に対して一方側に隣り合う位置に形成され、凹部49が板部30に対して他方側に隣り合う位置に形成されている。凹部48の収容容積の方が凹部49の収容容積よりも大きく、凹部48内に整流器13とキャパシタ23とが収容されている。
磁極部46は、端面75と、端面75から主表面33に向けて延びる周面とを含む。磁極部47は、端面76と、端面76から主表面33に向けて延びる周面とを含む。
端面75の面積と、端面76の面積とは、巻回軸線O1に垂直な方向における板部30の断面の面積よりも広い。受電部20は、端面75および端面76が鉛直方向下方Dに向けて配置されるように車両10の底面に搭載される。
2次コイル22は、板部30に巻回された第1コイル41と、第1コイル41の一方の端部に接続された第2コイル42と、第1コイル41の他方の端部に接続された第3コイル43とを含む。
第2コイル42は、磁極部46の周面に巻回された主面コイル82を含み、第3コイル43は、磁極部47の周面に巻回された主面コイル84を含む。このように形成された受電部20においても、主面コイル82の仮想線O3が鉛直方向下方Dに向けて延びる。
上記のように構成された受電部20においても、第2コイル42および第3コイル43を備えているので、対向配置される送電部に向けて磁束を案内することができる。
磁極部46の端面75と、磁極部47の端面76とが対向配置される送電部に向けられているので、磁路が良好に形成される。
長さの長い磁極部46および磁極部47が設けられているため、受電部20と送電部とが、車両左方向Lまたは車両右方向Rに位置ずれしたとしても、受電部20と受電部との間で磁路を形成し易く、高い電力伝送効率を維持することができる。
また、フェライトコア21を非対称に形成することで、整流器13およびキャパシタ23を凹部48内に収容することができ、受電部20のコンパクト化を図ることができる。
なお、受電装置11について主に説明したが、当然のことながら、受電装置11の構成を送電装置50にも適用することができる。
(実施の形態3)
図23は、本実施の形態3に係る受電装置11と、送電装置50とを模式的に示す斜視図である。なお、この図23においては、キャパシタ23,59と、筐体27と、送電部56を収容する筐体とについては、図示していない。
図23において、受電装置11は、アレイ状に配置された複数のコイルユニット86A〜86Dを含む。なお、この図23に示す例においては、コイルユニット86Aとコイルユニット86Bとは、車両10の前後方向に配列し、コイルユニット86Bとコイルユニット86Dも車両10の幅方向に配列している。
コイルユニット86Aは、コイルユニット86Bから車両後方向B側に配置されており、コイルユニット86Cは、コイルユニット86Dから車両後方向B側に配置されている。
コイルユニット86Aは、2次コイル22Aと、この2次コイル22Aが巻回されたフェライトコア21Aとを含む。フェライトコア21Aは、板部30Aと、板部30Aの下面に形成された突出部32Aとを含む。突出部32Aは、板部30Aの下面のうち、車両後方向B側の辺部に沿って配置されている。なお、コイルユニット86Aは、板部30Aの下面のうち、車両前方向F側の辺部には突出部は設けられていない。2次コイル22Aは、板部30Aの周面に巻回された第1コイル41Aと、突出部32Aの周面に巻回された第3コイル43Aとを含む。
コイルユニット86Cは、コイルユニット86Aと同様に形成されている。コイルユニット86Cは、2次コイル22Cと、この2次コイル22Cが巻回されたフェライトコア21Cとを含む。フェライトコア21Cは、板部30Cと、板部30Aの下面に形成された突出部32Cとを含む。突出部32Cは、板部30Cの下面のうち、車両10の車両後方向B側の辺部に沿って配置されている。なお、コイルユニット86Cも、板部30Cの下面のうち、車両前方向F側の辺部には突出部は設けられていない。
2次コイル22Cは、板部30Cの周面に巻回された第1コイル41Cと、突出部32Cの周面に巻回された第3コイル43Cとを含む。
コイルユニット86Bは、2次コイル22Bと、この2次コイル22Bが巻回されたフェライトコア21Bとを含む。フェライトコア21Bは、板部30Bと、板部30Bの下面に形成された突出部31Bとを含む。突出部31Bは、板部30Bの下面のうち、車両10の車両前方向F側の辺部に沿って配置されている。なお、コイルユニット86Bは、板部30Bの下面のうち、車両後方向B側の辺部には、突出部は設けられていない。
2次コイル22Bは、板部30Bの周面に巻回された第1コイル41Bと、突出部31Bの周面に巻回された第2コイル42Bとを含む。
コイルユニット86Dは、2次コイル22Dと、この2次コイル22Dが巻回されたフェライトコア21Dとを含む。フェライトコア21Dは、板部30Dと、板部30Dの下面に形成された突出部31Dとを含む。突出部31Dは、板部30Dの下面のうち、車両10の車両前方向F側の辺部に沿って配置されている。なお、コイルユニット86Dは、板部30Dの下面のうち、車両後方向B側の辺部には、突出部は設けられていない。
2次コイル22Dは、板部30Dの周面に巻回された第1コイル41Dと、突出部31Dの周面に巻回された第2コイル42Dとを含む。
このように、受電部20は、複数のコイルユニット86A〜86Dによって形成されている。
このように形成された受電部20と、送電部56との間で電力伝送する際には、送電部56の突出部62の上方に、コイルユニット86A,86Cの突出部32A,32Cが配置される。また、送電部56の突出部63の上方に、突出部31B,31Dが配置される。
そして、1次コイル58に特定の周波数の電流が流れる。
この際、突出部32Aと突出部32Cとが、突出部62と対向するように配置されているため、磁束がコイルユニット86A,86Cと送電部56との間で良好に授受される。
コイルユニット86Aとコイルユニット86Bとは、互いに近接しているため、コイルユニット86Aとコイルユニット86Bとの間で良好に磁束の授受が行われる。
コイルユニット86Cとコイルユニット86Dとは、互いに近接しているため、磁束がコイルユニット86Cとコイルユニット86Dとの間で良好に授受される。
そして、突出部31B,31Dとが、突出部63と対向しているため、突出部31B,31Dとの間と突出部63との間で良好に磁束の授受が行われる。
このようにして、コイルユニット86Aとコイルユニット86Bと送電部56とを通る磁路85Aと、コイルユニット86Cとコイルユニット86Dと送電部56とを通る磁路85Bとが形成される。
このように、磁路85A,85Bが形成されることで、受電部20と送電部56との間で良好に電力伝送がなされる。
(実施の形態4)
図24を用いて、本実施の形態に係る受電装置11について説明する。図24は、本実施の形態4に係る受電装置11を示す平面図であり、この図24においては、キャパシタ23や筐体については図示していない。
この図24に示す例においても、受電部20は、フェライトコア21と、このフェライトコア21の周面に巻回された2次コイル22とを含む。
フェライトコア21は、巻回軸線O1の延びる方向に長尺な板状に形成されている。2次コイル22は、フェライトコア21の周面に巻回された第1コイル41と、第1コイル41の一方の端部に接続された第2コイル42と、第1コイル41の他方の端部に接続された第3コイル43とを含む。
第1コイル41は、巻回軸線O1の周囲を取り囲むと共に、一方の端部から他方の端部に向かうにつれて、巻回軸線O1の延びる方向に変位するようにコイル線を巻回することで形成されている。
第2コイル42および第3コイル43は、フェライトコア21の下面に配置されている。第2コイル42と第3コイル43とは、互いに間隔をあけて配置されている。そして、第2コイル42は、仮想線O3の周囲を取り囲むと共に、第1コイル41に接続された端部から他方の端部に向かうにつれて、巻径が小さくなるようにコイル線を巻き回して形成されている。
第3コイル43は、巻回軸線O4の周囲を取り囲むと共に、第1コイル41に接続された端部から他方の端部に向かうにつれて、巻径が小さくなるように形成されている。
このように、第2コイル42および第3コイル43の厚さは、実質的にコイル線の断面径と実質的に同じとされている。このため、この図コイルユニット24に示す例においても、ユニットの薄型化が図られている。
なお、本実施の形態4に係る受電部20においても、2次コイル22に電流が流れた時
に、第3コイル43によって形成される磁束の向きと、第2コイル42によって形成される磁束の向きとは反対方向となっている。
このように形成された受電部20によれば、下方に配置された送電部56から送られてくる磁束を第2コイル42または第3コイル43の一方によって良好に受け止めることができる。そして、第2コイル42または第3コイル43で受け止められた磁束は、フェライトコア21および第1コイル41内を通り、第2コイル42と第3コイル43との他方側から送電部56に向けて良好に送り出される。
このように、本実施の形態4に係る受電部20によれば、送電部56との間で良好に電力伝送を行うことができる。なお、本実施の形態4においては、受電部20について説明したが、当該受電部20の構成を送電部56に適用することができるのはいうまでもない。
(実施の形態5)
図25を用いて、本実施の形態5に係る受電部20および送電部56について説明する。図25に示すように、受電部20は、フェライトコア21と、フェライトコア21に巻回された2次コイル22とを含む。
フェライトコア21は、+形状となるように形成されている。フェライトコア21は、複数のコア片95A〜95Dと、各コア片95A〜95Dの下面に形成された突出部96A〜96Dとを含む。各コア片95A〜95Dの一方の端部が互いに接続されており、各コア片95A〜95Dの他方の端部が自由端とされている。
突出部96A〜96Dは、各コア片95A〜95Dの下面のうち、自由端側の辺部に沿って配置されている。
2次コイル22は、コア片95Aに巻回されたコイル89Aと、コア片95Bに巻回されたコイル89Bと、コア片95Cに巻回されたコイル89Cと、コア片95Dに巻回されたコイル89Dとを含む。
コイル89A,89B,89C,89Dは、コア片95A,95B,95C,95Dの周面に巻回された第1コイル41A、41B,41C,41Dと、突出部96A,96B,96C,96Dの周面に巻回された第2コイル88A,88B,88C,88Dとを含む。
第1コイル41Bと第1コイル41Dとは、巻回軸線O1aの周囲を取り囲むと共に、一端側から他端に向かうにつれて、巻回軸線O1aの延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成されている。
第1コイル41Aおよび第1コイル41Cは、巻回軸線O1bの周囲を取り囲むと共に、一端側から他端側に向かうにつれて巻回軸線O1bの延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成されている。
第2コイル88A、88B,88C、88Dは、各々鉛直方向上方Uに向けて延びる巻回軸の周囲を取り囲むようにコイル線を巻回して形成されている。
送電部56は、フェライトコア57と、このフェライトコア57に巻回された1次コイル58とを含む。フェライトコア57も、+形状に形成されている。フェライトコア57は、複数のコア片97A,97B,97C,97Dと、各コア片97A,97B97C,
97Dの上面に形成された突出部96A,96B,96C,96Dとを含む。
1次コイル58は、各コア片97A,97B,97C,97Dに巻回されたコイル91A,91B、91C,91Dを含む。各コイル91A,91B、91C,91Dは、各コア片97A,97B,97C,97Dに巻回された第4コイル部66A,66B、66C,66Dと、各突出部98A,98B,98C,98Dに巻回された第5コイル90A,90B,90C,90Dとを含む。
第4コイル部66B,66Dは、巻回軸線O8aの周囲を取り囲むように形成されると共に、一端側から他端側に向かうにつれて、巻回軸線O8aの延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成されている。第4コイル部66A,66Cは、巻回軸線O8bの周囲を取り囲むように形成されると共に、一端側から他端側に向かうにつれて、巻回軸線O8bの延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成されている。
そして、第5コイル90A,90B,90C,90Dは、鉛直方向上方Uに延びる巻回軸線の周囲を取り囲むように形成されている。
このように、形成された受電部20と送電部56との間で電力伝送する場合について説明する。
受電部20と送電部56との間で電力伝送する際には、受電部20の各突出部96A,96B,96C,96Dおよび各第2コイル88A,88B,88C,88Dが、送電部56の突出部98A,98B,98C,98Dおよび第5コイル90A,90B,90C,90Dの上方に配置される。
そして、送電部56のコイル91A,91B、91C,91Dに所定周波数の電流が流れると、コイル89Aとコイル91Aとを通る磁路99Aと、コイル89Bとコイル91Bとを通る磁路99Bと、コイル89Cとコイル91Cとを通る磁路99Cと、コイル89Dとコイル91Dとを通る磁路99Dとが形成される。
この際、突出部96A,96B,96C,96Dの端面と、突出部98A,98B,98C,98Dの端面とは互いに対向するように配置されている。
また、第2コイル88A,88B,88C,88Dの巻回軸線は、鉛直方向下方Dに向けて延びており、第5コイル90A,90B,90C,90Dの巻回軸線は鉛直方向上方Uに向けて延びている。
このため、受電部20と送電部56との間で良好に磁路が形成され、受電部20と送電部56との間で良好に電力伝送を行うことができる。
(実施の形態6)
図26と、図27とを用いて、本実施の形態6に係る受電部20などについて説明する。図26は、本実施の形態6に係る受電部20と送電部56とを示す断面図である。この図26に示すように、送電部56の大きさは、受電部20よりも大きい。
送電部56は、コイルユニット60を含み、コイルユニット60は、フェライトコア57と、このフェライトコア57に巻回された1次コイル58とを含む。
1次コイル58は、フェライトコア57の周面に巻回されている。1次コイル58は、一端部から他端部に向かうにつれて、巻回軸線O10の周囲を取り囲むと共に、巻回軸線
O10の延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成されている。巻回軸線O10の延びる方向において、1次コイル58の長さは、フェライトコア57の長さよりも短い。このため、フェライトコア57の両端は、1次コイル58から突出している。フェライトコア57のうち、1次コイル58から突出した部分は磁極部92および磁極部93である。
図27は、受電部20のコイルユニット24を模式的に示す斜視図である。この図27に示すように、フェライトコア21は、板部30と、板部30の主表面33に設けられた突出部31および突出部32とを含む。なお、突出部31および突出部32は、後述する巻回軸線O1の延びる方向に配列しており、突出部31および突出部32は、主表面33の端部側に配置されている。
なお、本実施の形態のおいては、突出部31および突出部32は、傾斜するように配置されている。具体的には、突出部31と突出部32とは、主表面33から離れるにつれて、互いの間隔が広がるように形成されている。
突出部31は、端面39と、端面39の外周縁部から板部30に向かう周面とを含む。突出部31の周面は、側面35a,36a、37a、38aを含む。側面37aと、側面38aとは互い反対側に位置しており、側面37aと側面38aとが、板部30に対して傾斜するように配置されている。
突出部32は、端面40と、端面40の外周縁部から板部30に向かう周面とを含む。突出部32の周面は、側面35b、36b、37b、38bを含む。側面37bと側面38bとは互いに反対側に位置している。そして、側面38aと、側面37bとが対向するように配置されている。側面38aと側面37bとは、板部30に対して傾斜するように配置されている。そして、側面38aと側面37bとの間の距離は、主表面33から離れるにつれて、大きくなる。
2次コイル22は、第1コイル41と、第1コイル41の一方の端部に接続された第2コイル42と、第1コイル41の他方の端部に接続された第3コイル43とを含む。
第1コイル41は、板部30の周面に巻回されている。第1コイル41は、第1コイル41の一方の端部から他方の端部に向かうにつれて、巻回軸線O1の周囲を取り囲むと共に、巻回軸線O1の延びる方向に変位するように、コイル線を巻回して形成されている。
第2コイル42は、傾斜単位コイル81と、傾斜単位コイル81に接続された主面コイル82とを含む。主面コイル82は、突出部31の周面に巻回されている。主面コイル82は、巻回軸線O20の周囲を取り囲むように形成されている。主面コイル82は、一方の端部から他方の端部に向かうにつれて、巻回軸線O20の周囲を取り囲むと共に、巻回軸線O20の延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成されている。なお、本実施の形態においては、主面コイル82は、螺旋状に突出部31の周面に複数巻回されている。
第3コイル43は、傾斜単位コイル83と、主面コイル84とを含む。主面コイル84は、突出部32の周面に巻回されている。主面コイル84は、一方の端部から他方の端部に向かうにつれて、巻回軸線O21の延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成されている。なお、本実施の形態においては、主面コイル84は、複数回、巻回されている。ここで、図26および図27に示されるように、巻回軸線O20と、巻回軸線O21とは、受電部20から下方に向かうにつれて互いの距離が大きくなるように延びる。すなわち、巻回軸線O20は、下方に向かうにつれて、受電部20から水平方向に離れるよ
うに延びる。なお、この図26に示す例においては、下方に向かうにつれて、巻回軸線O1の延びる方向に変位するように延びる。巻回軸線O21は、下方に向かうにつれて、受電部20から水平方向に離れるように延びる。なお、この図26に示す例においては、下方に向かうにつれて、巻回軸線O1の延びる方向に変位するように延びる。
そして、図26に示すように、受電部20と送電部56との間で非接触で電力を伝送する際には、コイルユニット24とコイルユニット60とが対向する。
なお、本実施の形態においても、コイルユニット24とコイルユニット60とが対向した状態において、コイルユニット60の対向面とは、コイルユニット60の表面のうち、巻回軸線O10よりも、コイルユニット24側に位置する部分である。この実施の形態6においては、コイルユニット60の対向面とは主に主表面64と、磁極部92の上面と、磁極部93の上面とを含む。
同様に、コイルユニット24の対向面とは、コイルユニット24とコイルユニット60とが対向した状態において、コイルユニット24の表面のうち、巻回軸線O1よりもコイルユニット60側に位置する部分である。
具体的には、コイルユニット24の対向面とは、主に、突出部32の端面と、主表面33と、突出部31の端面とを含む。
巻回軸線O21は、磁極部92を通り、巻回軸線O20は、磁極部93を通る。このため、受電部20と送電部56との間で電力伝送がなされると、受電部20と送電部56との間で良好に磁路85が形成される。
フェライトコア21の主表面33に対する突出部31の傾斜角度や突出部32の傾斜角度は、送電部56の磁極部92および磁極部93との関係によって適宜設定することができる。
なお、本実施の形態において、フェライトコア21の主表面33に対する突出部32の傾斜角度と、主表面33に対する突出部32の傾斜角度とは、実質的に同一とされているが、突出部32の傾斜角度と、突出部31の傾斜角度とを異ならせてもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 車両、11 受電装置、13 整流器、14 コンバータ、15 バッテリ、16 パワーコントロールユニット、17 モータユニット、20 受電部、21,57 フェライトコア、22 第2コイル、23,59 キャパシタ、50 送電装置、51 外部給電装置、52 駐車スペース、53 交流電源、54 高周波電力ドライバ、55
制御部、56 送電部、58 第1コイル。

Claims (19)

  1. 第1巻回軸線の周囲を取り囲むと共に前記第1巻回軸線の延びる方向に変位するようにコイル線を巻回して形成された第1コイル部と、
    前記第1コイル部に接続された接続コイル部と、
    を備えた非接触電力伝送用コイルユニットであって、
    前記接続コイル部は、前記第1巻回軸線の延びる方向と異なる方向に延びる仮想線の周囲を取り囲むように形成された、非接触電力伝送用コイルユニット。
  2. コアをさらに備え、
    前記コアは、前記第1コイル部が巻回された板状の第1巻回部を含み、
    前記第1巻回部は、第1主表面と第2主表面とを含み、
    前記接続コイル部は、前記第1主表面に配置された主面コイルを含む、請求項1に記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  3. 送電用コイルユニットから非接触で電力を受電する非接触電力伝送用コイルユニットであって、
    前記仮想線は、前記非接触電力伝送用コイルユニットと対向配置された前記送電用コイルユニットに向けて延びる、請求項1または請求項2に記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  4. 前記送電用コイルユニットは、電力伝送時に前記非接触電力伝送用コイルユニットの下方に配置され、前記仮想線は下方に向けて延びる、請求項3に記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  5. 送電用コイルユニットと非接触で電力を受電する非接触電力伝送用コイルユニットであって、
    前記送電用コイルユニットは、前記非接触電力伝送用コイルユニットと対向配置されたときに前記非接触電力伝送用コイルユニットと対向する対向面を有し、前記仮想線は、前記対向面を貫く方向に延びる、請求項1から請求項4のいずれかに記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  6. 前記主面コイルの巻回軸線は、前記第1巻回軸線の延びる方向と直交する方向に延びる、請求項2に記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  7. 前記接続コイル部は、前記仮想線が前記第1主表面と交差するように配置された、請求項2に記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  8. 前記第1コイル部は、第1端部と第2端部とを含み、
    前記接続コイル部は、前記第1端部に接続された第2コイル部と、前記第2端部に接続された第3コイル部とを含む、請求項1から請求項7のいずれかに記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  9. 第1主表面と第2主表面とを含む第1巻回部と、前記第1主表面から突出するように設けられ、前記第2コイル部が巻回された第2巻回部と、前記第1主表面から突出するように設けられ、前記第3コイル部が巻回された第3巻回部とを含むコアをさらに備えた、請求項8に記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  10. 前記第2巻回部は、第1端面と、前記第1端面から前記第1主表面に向けて延びる第1周面とを含み、
    前記第3巻回部は、第2端面と、前記第2端面から前記第1主表面に向けて延びる第2周面とを含み、
    前記第1端面の面積は、前記第1巻回軸線に垂直な方向における前記第1巻回部の断面の面積よりも広く、
    前記第2端面の面積は、前記第1巻回軸線に垂直な方向における前記第1巻回部の断面積よりも広い、請求項9に記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  11. 前記第1主表面からの前記第2巻回部の高さと、前記第1主表面からの前記第3巻回部の高さとは、前記第1巻回部の厚さと実質的に等しい、請求項9または請求項10に記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  12. 前記主面コイルの巻回回数は、1巻き以下とされた、請求項2に記載の非接触電力伝送用コイルユニット。
  13. 請求項1から請求項12のいずれかに記載された非接触電力伝送用コイルユニットを含む受電部を有し、送電部を有する送電装置から非接触で電力を受電する受電装置。
  14. 前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数の10%以下である、請求項13に記載の受電装置。
  15. 前記受電部と前記送電部との結合係数は、0.1以下である、請求項13に記載の受電装置。
  16. 前記受電部は、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて前記送電部から電力を受電する、請求項13に記載の受電装置。
  17. 請求項13から請求項16のいずれかに記載の受電装置を備え、
    前記仮想線が下方に向かうように、非接触電力伝送用コイルユニットが配置された、車両。
  18. 請求項1または請求項2に記載された非接触電力伝送用コイルユニットを含む送電装置。
  19. 前記仮想線が上方に向くように、前記非接触電力伝送用コイルユニットが配置された、請求項18に記載の送電装置。
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