JP2014099524A - 非接触電力伝送システムの給電装置または受電装置のコイルに使用するコア - Google Patents

Abstract

【課題】非接触電力伝送システムの給電装置または受電装置のコイルにおいて周辺への漏洩磁束を低減する。
【解決手段】非接触で電力を伝送する装置のコイルに使用するコアであって、前記コアは、電線を巻かれ、第１の方向に延在するコア巻き芯部分と、不連続部と、前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に延在するコア突出部とを備え、前記第１の方向に、前記コア巻き芯部、前記不連続部、前記コア突出部が順に配置されることを特徴とするコア。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両等の充電に用いられる非接触電力伝送システムの給電装置および受電装置に関する。

図９は、従来の非接触電力伝送システムのコイルの構成を示す模式図（断面図）である。この非接触電力伝送システムは送電コイル１１２と受電コイル１１８からなり、それぞれ電線１３１と、フェライトなどの磁性材料を用いたコア１３２から構成される。そして、相手コイルと対向する側の面の最上部は、電線１３１の外周と同等またはそれ以上の高さになっている。
このように、コア１３２を電線１３１よりも上方に延在させることにより、非接触給電装置の送電コイル１１２と受電コイル１１８の距離を近づけることなく磁路の空気中を伝わる距離を短くすることができ、コイル間の結合係数が高くなり、給電効率と最大給電電力を上昇させることが可能になる。そのため、給電効率が高く、機械的強度が強く、製造が容易で低コスト化が可能な非接触給電用コアを提供することが可能になる。

特開２０１２−１５１３１１号公報

しかし上記のようにコア１３２を上方に延在させた構成を用いた場合、コイルの巻き軸方向には多くの磁束が集中する。図１０は、コア１３２を上方へ延在させた場合のコイルの磁束ベクトルの説明図である。電線１３１で生じたコア１３２内の磁束１４０はコア１３２を経由して上側へ向かう。空気中では磁性体内と同じ磁束密度を維持できないため、コア１３２の終端近辺では、磁束密度が下がる方向（例えばコア面に垂直方向）への磁束の拡散が生じる。

電線１３１を巻き付けた部分から終端までコアを一体に構成すると、電線１３１で生じたコア１３２内の磁束１４０の多くはコア１３２の終端近辺まで伝わるので、コア１３２の終端近辺からの拡散により、コイルの巻き軸方向への漏洩磁束１４１が大きくなる。さらに、コア１３２の終端近辺では拡散する磁束も強くなる。そのため、コイルの巻き軸方向を水平にして設置した場合、周辺への磁界漏洩が大きくなってしまう。

本発明は、コイルの巻き軸方向が水平になる設置構成であっても周辺への漏洩磁束を低減することが可能な非接触電力伝送システムに用いられる給電装置または受電装置のコイルに使用するコアを提供することを目的とする。

本発明の一態様では、非接触で電力を伝送する装置のコイルに使用するコアであって、前記コアは、電線を巻かれ、第１の方向に延在するコア巻き芯部分と、不連続部と、前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に延在するコア突出部とを備え、前記第１の方向に、前記コア巻き芯部、前記不連続部、前記コア突出部が順に配置されることを特徴とするものである。

本発明によれば、コア突出部分に不連続部を設けることでコア巻き芯部分から伝わる磁束
を一旦拡散させ、その一部の磁束を次のコア突出部分で受けて電力伝送側へ導くため、コイルの巻き軸方向への漏洩磁界を低減させることが可能になる。

実施の形態１における非接触電力電送システムのブロック図 実施の形態１における非接触電力電送システムの外観図 実施の形態１における非接触電力電送システムのコイルの垂直断面図 実施の形態１におけるコイルの磁束ベクトル説明図 実施の形態２におけるコイルの垂直断面図 実施の形態２におけるコイルの水平面図 実施の形態３におけるコイルの水平面図 実施の形態４におけるコイルの垂直断面図 従来の非接触電力伝送システムのコイルの模式図 従来のコイルの磁束ベクトル説明図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る非接触電力電送システムのブロック図である。また、図２は車両を駐車スペースに停車した状態の非接触電力電送システムの外観図である。図１および図２に示されるように、非接触電力電送システムは、例えば駐車スペースに設置される給電装置２と、例えば電気推進車両に搭載される受電装置４とで構成される。

給電装置２は、商用電源６に接続される電源箱８と、インバータ部１０と、地上側コイルユニット１２と、電力制御装置１７を構成する給電装置側の制御部（例えば、マイコン）１６とを備えている。一方、受電装置４は、車両側コイルユニット１８と、整流部２０と、負荷であるバッテリー２２と、受電装置側の制御部（例えば、マイコン）２４とを備えている。

給電装置２において、商用電源６は、低周波交流電源である２００Ｖ商用電源であり、電源箱８の入力端に接続され、電源箱８の出力端はインバータ部１０の入力端に接続され、インバータ部１０の出力端は地上側コイルユニット１２に接続されている。一方、受電装置４においては、車両側コイルユニット１８の出力端は整流部２０の入力端に接続され、整流部２０の出力端はバッテリー２２に接続されている。
また、地上側コイルユニット１２は地上に敷設され、電源箱８は、例えば地上側コイルユニット１２から所定距離だけ離隔した位置に立設される。一方、車両側コイルユニット１８は、例えば車体底部（例えば、シャーシ）に取り付けられる。

給電装置側の制御部１６は受電装置側の制御部２４と通信を行い、受電装置側の制御部２４は、検出したバッテリー２２の残電圧に応じて電力指令値を決定し、決定した電力指令値を給電装置側の制御部１６に送信する。給電装置側の制御部１６は、地上側コイルユニット１２で検出した給電電力と、受信した電力指令値とを比較し、電力指令値が得られるようにインバータ部１０を駆動する。

給電装置２から受電装置４に給電する場合、図２に示されるように車両側コイルユニット１８は、車両を適宜移動させることで地上側コイルユニット１２に対向して配置され、給電装置側の制御部１６がインバータ部１０を駆動制御することで、地上側コイルユニット１２と車両側コイルユニット１８との間に高周波の電磁場を形成する。受電装置４は、高周波の電磁場より電力を取り出し、取り出した電力でバッテリー２２を充電する。
図３は、本発明の実施の形態１における非接触電力電送システムのコイルの垂直断面図である。図３は、地上側コイルユニット１２のコイル３０を示している。

コイル３０は、電線３１と、フェライトなどの磁性材料を用いたコアから構成される。こ
れ以降、コアのうち電線３１で覆われている部分をコア巻き芯部３２、コア巻き芯部３２と連続して水平方向に延在し、かつ電線３１で覆われていない部分を第１のコア突出部３３、第１のコア突出部３３から不連続部３４を挟んで設置され、かつ垂直方向に延在した部分を第２のコア突出部３５と表記する。

なお、本願明細書において不連続部分とは、水平方向に延在する第１のコア突出部３３と垂直方向に延在する第２のコア突出部３５の間にある不連続の部分を指し、例えば空間や形状変化、材質変化など、第１のコア突出部が連続して延在しなくなった部分を指す。

インバータ部１０からの出力は電線３１に伝わり、磁束が発生する。発生した磁束は、コア巻き芯部３２から第１のコア突出部３３へ伝わり、さらに不連続部３４を経て、第２のコア突出部３５へ伝わる。第２のコア突出部３５は上方へ延在しているため、主に上側に向かう磁路を形成する。この磁路により、地上側コイルユニット１２と、地上側コイルユニット１２の上側に配置される車両側コイルユニット１８との間に電力伝送のための高周波の電磁場が形成される。

図４は本発明の実施の形態１におけるコイルの磁束ベクトルの説明図である。電線３１で生じたコア内の磁束４０は第１のコア突出部３３、不連続部３４、第２のコア突出部３５を経由して上側へ向かう。不連続部３４手前の第１のコア突出部３３終端近辺では磁束の拡散が生じ、コイルの巻き軸方向（水平方向）および、上下方向（垂直方向）に磁束が向かう。下方向に向かった磁束はアルミ板などの防磁部材（図示せず）に打ち消されて弱まり、上方向に向かった磁束は高周波の電磁場形成に寄与し、残ったコイルの巻き軸方向に向かった磁束は第２のコア突出部３５に侵入する。第２のコア突出部３５内の磁束４０は上方向に向かい終端近辺で磁束の拡散が生じるが、不連続部３４手前で一旦拡散した磁束の一部であるため、コイルの巻き軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１は、図１０の漏洩磁束１４１に比べて小さくなる。

第１のコア突出部３３とコア巻き芯部３２は一体に構成され、第１のコア突出部上面３７はコア巻き芯部の上面３６とほぼ同じ高さとなっているため、電線３１で生じた磁束４０は第１のコア突出部３３の終端近くまで、極端な磁束の拡散も無く伝わる。また、第２のコア突出部上面３８は第１のコア突出部上面３７より高くなっているため、磁束の多くを集めて上方向への磁路を構成する。

なお、本発明の実施の形態１では、磁束の一部を途中で垂直方向に拡散させるために第１のコア突出部３３と第２のコア突出部３５の間に物理的な空間（不連続部３４）を設けているが、漏洩磁束４１を小さくするためには物理的に隙間が空いていればよい。

また、コア巻き芯部３２、第１のコア突出部３３、第２のコア突出部３５は、コアに関する部分のことであり、例えば地上側コイルユニット１２の樹脂材料やアルミなどで構成されるカバー、支持部品、防磁部品類は該当しない。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるコイルの垂直断面図を示す。実施の形態１では不連続部３４は空間としていたが、本実施の形態では、第１のコア突出部３３よりもコア断面積を狭くしたコアを不連続部３４としている。図５においては、不連続部３４の上側を第１のコア突出部３３と比べて凹ませる構成としている。この構成の場合、多くの磁束が伝送する方向（水平方向）のコア断面積が第１のコア突出部３３から不連続部３４にかけて狭くなることにより磁束の拡散が生じ、空間を設けた場合と同様の効果を得ることが出来る。

なお、図５では上側を凹ませることで不連続にしているため、上側の拡散を多く発生させることが出来る。そのため、高周波の電磁場形成に寄与しない下側への磁束拡散を少なくすることが可能になる。

図６に、不連続部３４の左右を第１のコア突出部３３と比べて凹ませる構成を示す。この構成の場合も同様に、漏洩磁束４１を小さくすることが可能になる。なお、図６では左右を凹ませることで不連続にしているため、左右の磁束拡散を少なくすることが可能になる。

なお、本実施の形態においては上側または左右を凹ませる形状を用いて説明を行ったが、下側のみ、上下両方、左右どちらかのみ、またはそれぞれを組合せた場合も同様に漏洩磁束４１を小さくすることが可能になる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３におけるコイルの水平断面図を示す。実施の形態２では不連続部３４の外周を凹ませる構成としていたが、本実施の形態では、不連続部３４の内側に空間を作ったコアを不連続部３４としている。

この構成の場合も、多くの磁束が伝送する方向（水平方向）のコア断面積が第１のコア突出部３３から不連続部３４にかけて狭くなることにより磁束の拡散が生じるため、同様の効果を得ることが出来る。

なお、図７では不連続部３４の中心部分に垂直方向に貫通する空間を備えた形状を用いて説明を行ったが、貫通しない（中空の）場合や、空間が上下左右に偏っている場合も同様の効果を得ることが出来る。

（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４におけるコイルの垂直断面図を示す。実施の形態１では不連続部３４は空間としていたが、本実施の形態では、第１のコア突出部３３および第２のコア突出部３５とは異なる磁性材料のコアを不連続部３４としている。

第１のコア突出部３３よりも磁気抵抗の高い材料などを不連続部３４として挟むことで磁束の拡散が生じるため、空間を設けた場合と同様の効果を得ることが出来る。

なお図８の場合、不連続部３４の磁性材料の透磁率などの仕様を調整することで第２のコア突出部３５に伝える磁束量を調整することが可能になる。

以上、本実施の形態においては給電装置２の地上側コイルユニット１２に不連続部３４を設けた構成を一例として説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されるものではなく、例えば受電装置４の車両側コイルユニット１８に不連続部３４を設けても良い。また、給電装置２の地上側コイルユニット１２および受電装置４の車両側コイルユニット１８の両方に不連続部３４を設ける構成としても良い。

なお、図３ではコイル３０の左右両方向に不連続部３４を設けているが、どちらか一方にのみに不連続部３４を設ける構成としてもよい。
同様に、図４から８ではコイル３０の左側のみを用いて説明を行っているが、どちら一方のみに不連続部３４を設けた構成でも、左右両方に不連続部３４を設ける構成でもよい。さらに、本実施の形態においては角型のコアを用いて説明を行ったが、本発明の効果はコア形状に左右されるものではない。したがって、例えば円筒形状など他の形状のコアであっても良い。

また、本実施の形態においては地上側を給電装置、車両側を受電装置として説明を行ったが、地上側を受電装置、車両側を給電装置とする構成や、地上側と車両側両方が受電と給電を行う構成であってもよい。

なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることもできる。

以上のように、本発明に係る非接触電力伝送システムの給電装置または受電装置のコイルに使用するコアは、コアの突出部分の途中に不連続部を設ける構成としているため、周辺への漏洩磁束を低減することが可能になり、例えば人や物が不注意にあるいは誤って近づく可能性がある電気推進車両の受電装置および給電装置に有用である。

２ 給電装置
４ 受電装置
６ 商用電源
８ 電源箱
１０ インバータ部
１２ 地上側コイルユニット
１６ 制御部
１７ 電力制御装置
１８ 車両側コイルユニット
２０ 整流部
２２ バッテリー
２４ 制御部
３０ コイル
３１、１３１ 電線
３２ コア巻き芯部
３３ 第１のコア突出部
３４ 不連続部
３５ 第２のコア突出部
３６ コア巻き芯部の上面
３７ 第１のコア突出部上面
３８ 第２のコア突出部上面
４０、１４０ 磁束
４１、１４１ 漏洩磁束
１１２ 送電コイル
１１８ 受電コイル
１３２ コア

Claims (4)

1. 非接触で電力を伝送する装置のコイルに使用するコアであって、
   前記コアは、
   電線を巻かれ、第１の方向に延在するコア巻き芯部分と、
   不連続部と、
   前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に延在するコア突出部とを備え、
   前記第１の方向に、前記コア巻き芯部、前記不連続部、前記コア突出部が順に配置されることを特徴とするコア。
2. 前記不連続部は、前記コア巻き芯部と前記コア突出部の間の空間であることを特徴とする請求項１に記載のコア。
3. 前記不連続部の前記第１の方向の断面積は、前記コア巻き芯部の前記第１の方向の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のコア。
4. 前記不連続部は、前記コア巻き芯部および前記コア突出部とは異なる磁性材料であることを特徴とする請求項１に記載のコア。

Images