JP2014175514A

JP2014175514A - 給電側コイル及び非接触給電装置

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Publication number: JP2014175514A
Application number: JP2013047733A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Kagami; 和義加々美; Shingo Tanaka; 信吾田中; Hajime Terayama; 肇寺山
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-09-22
Also published as: US20150380154A1; WO2014142068A1

Abstract

【課題】電磁漏洩を防止したコイル及び非接触給電装置を提供する。
【解決手段】給電側共鳴コイル２３は、受電側共鳴コイル３１に対して非接触で給電する。給電側共鳴コイル２３は、同軸上に並べて配置された第１の給電側コイル部２３Ａ及び第２の給電側コイル部２３Ｂを備えている。この第１の給電側コイル部２３Ａ及び第２の給電側コイル部２３Ｂは、その巻き方向が互いに逆向きである。
【選択図】図２

Description

本発明は、給電側コイル及び非接触給電装置に係り、特に、非接触給電に用いられる給電側コイル及び当該給電側コイルを備えた非接触給電装置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装置として、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例えば共鳴式のものがある（特許文献１、２）。

この共鳴式の給電装置では、互いに電磁共鳴する一対の共鳴コイルの一方を給電設備の地面に設置し、他方を車両に搭載して、給電設備の地面に設置された共鳴コイルから車両に搭載された共鳴コイルに非接触で電力を供給している。以下、給電設備に設置された共鳴コイルの一方を給電側共鳴コイル、車両に搭載された共鳴コイルの他方を受電側共鳴コイルと言う。

上述した共鳴式の給電装置は、給電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルとの間にある程度距離があってもワイヤレスで給電することができるという利点がある。しかしながら、給電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルとの間に距離があるため、周囲に大きな電磁漏洩が発生してしまう恐れがある。

特開２０１１−２１７５９６号公報特開２０１２−１５６２８１号公報

そこで、本発明は、電磁漏洩を防止したコイル及び非接触給電装置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、受電側コイルに対して非接触で給電する給電側コイルであって、同軸上に並べて配置された第１のコイル部及び第２のコイル部を備え、前記第１のコイル部及び前記第２のコイル部は、その巻き方向が互いに逆向きであることを特徴とする給電側コイルに存する。

請求項２記載の発明は、前記給電側コイル及び前記受電側コイルは、その中心軸が給電時における前記給電側コイル及び前記受電側コイルの離隔方向と直交する方向に配置され、前記第１のコイル部を構成する導線と前記第２のコイル部を構成する導線の長さが異なることを特徴とする請求項１に記載の給電側コイルに存する。

請求項３記載の発明は、前記第１のコイル部と前記第２のコイル部との巻数が異なることを特徴とする請求項２に記載の給電側コイルに存する。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２に記載の給電側コイルと、前記給電側コイルから非接触で給電する受電側コイルと、を備えたことを特徴とする非接触給電装置に存する。

以上説明したように請求項１及び４記載の発明によれば、第１のコイル部及び第２のコイル部は、互いに逆向きに巻かれているので、第１及び第２のコイル部からの漏洩した電磁界が打ち消し合い、漏洩磁界を防止できる。

請求項２記載の発明によれば、第１のコイル部を構成する導線と第２のコイルを構成する導線の長さが異なるので、漏洩磁界に指向性を持たせることができる。

請求項３記載の発明によれば、巻数を変えることにより、第１のコイル部及び第２のコイル部を構成する導線の長さを異ならせることができる。

本発明の非接触給電装置の一実施形態を示すブロック図である。第１実施形態における図１に示す非接触給電装置の斜視図である。図２に示す非接触給電装置である本発明品Ａについて、漏洩磁界分布をシミュレーションした結果を示す図である。第２実施形態における図１に示す非接触給電装置の斜視図である。図４に示す非接触給電装置である本発明品Ｂについて、漏洩磁界分布をシミュレーションした結果を示す図である。第３実施形態における図１に示す非接触給電の斜視図である。図６に示す非接触給電装置である本発明品Ｃについて、漏洩磁界分布をシミュレーションした結果を示す図である。共鳴コイルを一様に巻いた非接触給電装置である従来品について、漏洩磁界分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。図８でシミュレーションした従来品の斜視図である。

第１実施形態
以下、第１実施形態における本発明の非接触給電装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の非接触給電装置の一実施形態を示すブロック図である。図２は、第１実施形態における図１に示す非接触給電装置の斜視図である。図１に示すように、非接触給電装置１は、給電設備に設けられる給電部２と、車両に搭載された受電部３と、を備えている。

上記給電部２は、図１に示すように、電源として高周波電源２１と、高周波電源２１からの高周波電力が供給される給電側ループアンテナ２２と、給電側ループアンテナ２２に電磁結合された給電側共鳴コイル２３と、この給電側ループアンテナ２２及び給電側共鳴コイル２３が巻かれた給電側コア２４（図２参照）と、給電側共鳴コイル２３の両端に接続された給電側キャパシタＣ１と、給電側ループアンテナ２２及び給電側共鳴コイル２３を収容する給電側シールドケース２５と、を備えている。

上記高周波電源２１は、高周波電力を生成して、給電側ループアンテナ２２に供給している。この高周波電源２１により生成される高周波電力は、後述する給電側共鳴コイル２３及び受電側共鳴コイル３１の共鳴周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）と等しくなるように設けられている。

上記給電側ループアンテナ２２は、図２においては図示を省略しているが、導線を給電側コア２４に巻いて構成されていて、その中心軸が給電時における給電側、受電側共鳴コイル２３、３１の離隔方向（垂直方向）に対して垂直に、即ち水平方向に沿うように設けられている。この給電側ループアンテナ２２の両端には、高周波電源２１が接続されていて、この高周波電源２１からの高周波電力が供給されている。

上記給電側共鳴コイル２３は、図２に示すように、導線を給電側コア２４周りにソレノイド状に巻いて構成されている。即ち、この給電側共鳴コイル２３は、上記給電側ループアンテナ２２と同軸上に配置されている。この給電側共鳴コイル２３も、その中心軸が給電時における給電側、受電側共鳴コイル２３、３１の離隔方向（垂直方向）に対して垂直に、即ち平行方向に沿うように設けられている。そして、給電側共鳴コイル２３の両端には、共鳴周波数調整用の給電側キャパシタＣ１が接続される。

また、上記給電側共鳴コイル２３は、図２に示すように、同軸上に並べて配置された第１の給電側コイル部２３Ａと、第２の給電側コイル部２３Ｂと、を備えている。第１の給電側コイル部２３Ａ及び第２の給電側コイル部２３Ｂは、その巻き方向が互いに逆向きに設けられている。この第１の給電側コイル部２３Ａが請求項中の第１のコイル部に相当し、第２の給電側コイル部２３Ｂが請求項中の第２のコイル部に相当する。

これら第１、第２の給電側コイル部２３Ａ、２３Ｂは、１本の導線から構成されている。第１実施形態では、この導線を第２の給電側コイル部２３Ｂに向かって反時計周りに巻回させて第１の給電側コイル部２３Ａを設けた後、Ｕターンさせて第１の給電側コイル部２３Ａと逆方向（時計回り）に巻回させて第２の給電側コイル部２３Ｂを設けている。上記第１、第２の給電側コイル部２３Ａ、２３Ｂの巻数は同じに設けられている。即ち、第１の給電側コイル部２３Ａを構成する導線と第２の給電側コイル部２３Ｂを構成する導線の長さが同じに設けられている。

上記給電側ループアンテナ２２と給電側共鳴コイル２３とは、互いに電磁結合できる範囲内、即ち、給電側ループアンテナ２２に高周波電力が供給され、高周波電流が流れると給電側共鳴コイル２３に電磁誘導が発生するような範囲内で、互いに離間して設けられている。

上記給電側コア２４は、フェライトなどの磁性体から構成されていて、略平板状に設けられている。このコア２４は、水平に配置されている。

給電側シールドケース２５は、銅やアルミといった導電性の高い金属シールドから構成されている。給電側シールドケース２５は、給電側ループアンテナ２２及び給電側共鳴コイル２３の後述する受電側共鳴コイル３１から離れた側を覆う底壁２５Ａと、底壁２５Ａの周縁から立設する立壁２５Ｂと、から構成され、受電部３側が開口された箱型に設けられている。底壁２５Ａは、給電側コア２４よりも若干大きめの四角形状に設けられている。立壁２５Ｂは、給電側コア２４の側面を囲むように設けられている。

上記受電部３は、図１に示すように、給電側共鳴コイル２３と電磁共鳴する受電側共鳴コイル３１と、受電側共鳴コイル３１に電磁結合された受電側ループアンテナ３２と、この受電側ループアンテナ３２及び受電側共鳴コイル３１が巻かれた受電側コア３３（図２参照）と、受電側共鳴コイル３１の両端に接続された受電側キャパシタＣ２と、受電側ループアンテナ３２が受電した高周波電力を直流電力に変換する整流器３４と、整流器３４により変換された直流電力が供給される車載バッテリ３５と、受電側ループアンテナ３２及び受電側共鳴コイル３１を収容する受電側シールドケース３６と、を備えている。

上記受電側共鳴コイル３１及び受電側ループアンテナ３２は、上述した給電側共鳴コイル２３及び給電側ループアンテナ２２と同じ大きさ、同じ形状に設けられ、その中心軸が給電側、受電側共鳴コイル２３、３１の離隔方向（垂直方向）に対して垂直に、即ち平行方向に沿うように設けられている。また、図２からは受電側ループアンテナ３２は省略しているが、これら受電側共鳴コイル３１及び受電側ループアンテナ３２は、受電側コア３３に巻かれ、これにより互いに同軸上に配置される。上記受電側共鳴コイル３１の両端には、共鳴周波数用の受電側キャパシタＣ２が接続されている。

また、上記受電側共鳴コイル３１は、給電側共鳴コイル２３と同様に、図２に示すように、互いに同軸上に配置された第１の受電側コイル部３１Ａ及び第２の受電側コイル部３１Ｂを備えている。第１の受電側コイル部３１Ａ及び第２の受電側コイル部３１Ｂは、その巻き方向が互いに逆向きに設けられている。

上記受電側共鳴コイル３１は、軸Ｌ１を中心軸として給電側共鳴コイル２３を１８０度回転させた状態と同じに配置されている。軸Ｌ１は、給電側共鳴コイル２３の軸方向中心を通り、軸方向及び給電側、受電側共鳴コイル２３、３１の離隔方向と直交する軸である。これにより、給電側共鳴コイル２３では第１の給電側コイル部２３Ａが図中左、第２の給電側コイル部２３Ｂが図中右に配置されるが、受電側共鳴コイル３１では第１の受電側コイル部３１Ａが図中右、第２の受電側コイル部３１Ｂが図面左に配置される。

また、受電側共鳴コイル３１と受電側ループアンテナ３２とは、互いに電磁結合する範囲内、即ち、受電側共鳴コイル３１に交流電流が流れると受電側ループアンテナ３２に誘導電流が発生する範囲内に、互いに離間して設けられている。

受電側シールドケース３６は、図２に示すように、給電側シールドケース２５と同様に銅やアルミといった導電性の高い金属シールドから構成されている。受電側シールドケース３６は、受電側ループアンテナ３２及び受電側共鳴コイル３１の後述する給電側共鳴コイル２３から離れた側を覆う底壁３６Ａと、底壁３６Ａの周縁から立設する立壁３６Ｂと、から構成され、給電部２側が開口された箱型に設けられている。

底壁３６Ａは、受電側コア３３よりも若干大きめの四角に設けられている。立壁３６Ｂは、受電側コア３３の側面を囲むように設けられている。

上述した非接触給電装置１によれば、車両の受電部３が給電設備の地面に設けた給電部２に近づいて給電側共鳴コイル２３と受電側共鳴コイル３１とが電磁共鳴すると、給電部２から受電部３に非接触で電力が供給され、車載バッテリ３５が充電される。

詳しく説明すると、上記給電側ループアンテナ２２に交流電流が供給されると、その電力が電磁誘導により給電側共鳴コイル２３に送られる。即ち、給電側共鳴コイル２３には、給電側ループアンテナ２２を介して電力が供給される。給電側共鳴コイル２３に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側共鳴コイル３１にワイヤレスで送られる。さらに、受電側共鳴コイル３１に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ３２に送られ、この受電側ループアンテナ３２に接続された車載バッテリ３５が充電される。

また、上述した実施形態によれば、第１の給電側コイル部２３Ａ及び第２の給電側コイル部２３Ｂが逆向きに巻かれている。これにより、第１の給電側コイル部２３Ａ及び第２の給電側コイル部２３Ｂから発生する磁束同士が打ち消し合い、それにより、周囲に発生する漏洩磁界を軽減することができる。

次に、本発明者らは、上記効果を確認すべく、図２に非接触給電装置１である本発明品Ａと、図９に示すように給電側共鳴コイル２０３及び受電側共鳴コイル３０１を一様に同じ方向に巻いた非接触給電装置１である従来品と、について放射磁界分布をシミュレーションした。結果を図３及び図８に示す。

なお、本発明品Ａにおいては、給電側共鳴コイル２３及び受電側共鳴コイル３１の何れも１１巻き、第１の給電側コイル部２３Ａ、第２の給電側コイル部２３Ｂ、第１の受電側コイル部３１Ａ及び第２の受電側コイル部３１Ｂの何れも５．５巻きに設定している。また、従来品は、図９に示すように構成されている。図９において、図２に示す本発明品Ａと同等の部分は同一符号を付してその詳細な説明を省略している。同図に示すように、従来品の給電側共鳴コイル２０３、受電側共鳴コイル３０１は、本発明品Ａの給電側共鳴コイル２３、受電側共鳴コイル３１と同様に１１巻きに設定してある。しかしながら、給電側コア２４の図中左側に巻回される第１の給電側コイル部２０３Ａと図中右側に巻回される第２の給電側コイル部２０３Ｂとが同一方向に巻いてある。また、受電側コア３３の図中左側に巻回される第１の受電側コイル部３０１Ａと、図中右側に巻回される第２の受電側コイル部３０１Ｂも同一方向に巻いてある。

同図からも明らかなように、本発明品Ａの方が従来品よりも漏洩磁界の広がりを防止できることが確認された。

第２実施形態
次に、第２実施形態について、図４及び図５を参照して説明する。第１実施形態では、第１の給電側、受電側コイル部２３Ａ、３１Ａと、第２の給電側、受電側コイル部２３Ｂ、３１Ｂと、の巻数を同じにしていたが、第２実施形態では、第１の給電側、受電側コイル部２３Ａ、３１Ａと第２の給電側、受電側コイル部２３Ｂ、３１Ｂとの巻数を互いに異ならせている。図４に示す例では、第１の給電側、受電側コイル部２３Ａ、３１Ａを５巻き、第２の給電側、受電側コイル部２３Ｂ、３１Ｂを６巻きとしている。

受電側共鳴コイル３１は、第１実施形態と同様に、軸Ｌ１を中心軸として給電側共鳴コイル２３を１８０度回転させた状態と同じに配置されている。これにより、第１実施形態と同様に、給電側共鳴コイル２３では５巻きの第１の給電側コイル部２３Ａが図中左、６巻きの第２の給電側コイル部２３Ｂが図中右に配置され、受電側共鳴コイル３１では５巻きの第１の受電側コイル部３１Ａが図中右、６巻きの第２の受電側コイル部３１Ｂが図中左に配置される。

第２実施形態によれば、第１の給電側コイル部２３Ａを構成する導線と第２の給電側コイル部２３Ｂを構成する導線の長さが異なるので、漏洩磁界に指向性を持たせることができる。

また、第２実施形態によれば、巻数を変えることにより、簡単に第１の給電側コイル部２３Ａ及び第２の給電側コイル部２３Ｂの導線長さを異ならせることができる。

次に、本発明者らは、第１実施形態で説明した図２に示す非接触給電装置１である本発明品Ａと、第２実施形態で説明した図４に示す非接触給電装置１である本発明品Ｂと、について放射磁界分布をシミュレーションした。結果を図３及び図５に示す。

なお、上述したように本発明品Ａにおいては、給電側共鳴コイル２３及び受電側共鳴コイル３１の何れも１１巻き、第１の給電側コイル部２３Ａ、第２の給電側コイル部２３Ｂ、第１の受電側コイル部３１Ａ及び第２の受電側コイル部３１Ｂの何れも５．５巻きに設定している。また、本発明品Ｂにおいては、給電側共鳴コイル２３及び受電側共鳴コイル３１の何れも１１巻き、第１の給電側、受電側コイル部２３Ａ、３１Ａは５巻き、第２の給電側、受電側コイル部２３Ｂ、３１Ｂは６巻きに設定している。

図３に示すように、本発明品Ａでは、共鳴コイル２３、３１の軸方向両側は、ほぼ同じ磁界分布になっている。これに対して、本発明品Ｂでは、巻数の多い第２の給電側コイル部２３Ｂ側（図面右側）の方が巻数の少ない第１の給電側コイル部２３Ａ側（図面左側）よりも放射磁界を大きくなることがわかった。即ち、漏洩磁界に指向性を持たせることができ、ビームフォームできることが分かった。これにより、人がいない場所に磁界を漏洩させることもできる。

通常、１００ｋＨｚ付近の低周波数では波長は３０００ｍ程度となる。通常ビームフォームのためには、λ／４程度の長さでの位相調整が必要であるが、そのためには７５０ｍが必要となり現実的ではない。しかしながら、上記第２実施形態によれば、位相調整しなくても巻数を変えるだけで容易にビームフォームできることが分かった。

第３実施形態
次に、第３実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。第２実施形態では、受電側共鳴コイル３１は、軸Ｌ１を中心軸として給電側共鳴コイル２３を１８０度回転させた状態と同じに配置されている。これに対して、第３実施形態では、受電側共鳴コイル３１は、軸Ｌ２を中心軸として給電側共鳴コイル２３を１８０度回転させた状態と同じに配置されている。

これにより、給電側共鳴コイル２３では５巻きの第１の給電側コイル部２３Ａが図中左、６巻きの第２の給電側コイル部２３Ｂが図中右に配置され、受電側共鳴コイル３１では、給電側共鳴コイル２３と同様に、５巻きの第１の受電側コイル部３１Ａが図中左、６巻きの第２の受電側コイル部３１Ｂが図中右に配置される。このように受電側共鳴コイル３１を配置しても、第２実施形態と同様に、漏洩磁界に指向性を持たせることができる。

次に、本発明者らは、第３実施形態で説明した図６に示す非接触給電装置１である本発明品Ｃについて放射磁界分布をシミュレーションした。結果を図７に示す。

なお、本発明品Ｃにおいては、給電側共鳴コイル２３及び受電側共鳴コイル３１の何れも１１巻き、第１の給電側、受電側コイル部２３Ａ、３１Ａは５巻き、第２の給電側、受電側コイル部２３Ｂ、３１Ｂは６巻きに設定している。

図７に示すように、本発明品Ｃでも、巻数の多い第２の給電側コイル部２３Ｂ側（図面右側）の方が巻数の少ない第１の給電側コイル部２３Ａ側（図面左側）よりも放射磁界を大きくなることがわかった。即ち、漏洩磁界に指向性を持たせることができ、ビームフォームできることが分かった。

なお、上述した実施形態によれば、受電側共鳴コイル３１も互いに逆向きに巻いた第１の受電側コイル部３１Ａ及び第２の受電側コイル部３１Ｂから構成されていたが、本発明はこれに限ったものではない。受電側共鳴コイル３１は、一様に同じ方向に巻かれたものであってもよい。

また、上述した第２及び第３実施形態によれば、第１の給電側コイル部２３Ａと、第２の給電側コイル部２３Ｂと、の巻数を異ならせることにより、導線の長さを異ならしていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、第１の給電側コイル部２３Ａと、第２の給電側コイル部２３Ｂとの径を異ならせることにより、導線の長さを異ならせるようにしてもよい。

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。

１非接触給電装置
２３給電側共鳴コイル（給電側コイル）
２３Ａ第１の給電側コイル部（第１のコイル部）
２３Ｂ第２の給電側コイル部（第２のコイル部）
３１受電側共鳴コイル（受電側コイル）

Claims

受電側コイルに対して非接触で給電する給電側コイルであって、
同軸上に並べて配置された第１のコイル部及び第２のコイル部を備え、
前記第１のコイル部及び前記第２のコイル部は、その巻き方向が互いに逆向きである
ことを特徴とする給電側コイル。
前記給電側コイル及び前記受電側コイルは、その中心軸が給電時における前記給電側コイル及び前記受電側コイルの離隔方向と直交する方向に配置され、
前記第１のコイル部を構成する導線と前記第２のコイル部を構成する導線の長さが異なることを特徴とする請求項１に記載の給電側コイル。
前記第１のコイル部と前記第２のコイル部との巻数が異なることを特徴とする請求項２に記載の給電側コイル。
請求項１又は２に記載の給電側コイルと、
前記給電側コイルから非接触で給電する受電側コイルと、
を備えたことを特徴とする非接触給電装置。