JP3330222B2 - 非接触電力伝達装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、充電器や、例えば浴室
内等の水回り等で用いて好適な電気機器における非接触
式の電力伝達装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば電池応用電気機器には充電
のための充電用電極が設けられており、充電時には、こ
の電気機器を充電器に装着して、充電用電極と充電器の
出力電極とを接触可能にする構成となっているものが一
般的であった。しかし、充電用電極や出力電極を装置表
面に露出したものでは、この露出状態の電極に変形を生
じさせ易く接触不良を発生する原因となり、また、特に
機器が水回りで利用されるものである場合、腐食によっ
て接触不良を引き起こす虞れがあり、更には複雑な防水
構造を採用しなければならないといった問題があった。

【０００３】そこで近年では、電磁誘導を利用して非接
触で充電を含めて電力伝達を可能にする電気機器が種々
提案されている。図７は、従来の非接触式の給電装置に
おける電力伝達部分の構造を示す図である。図（ａ）〜
（ｄ）において、１００は電源側となる一次側筐体、２
００は負荷を有する二次側筐体で、いずれの場合も、一
次側筐体１００の上面に二次側筐体２００が載置状態で
装着可能になっているものである。１０１は一次コイル
であり、２０１は二次コイルを示している。

【０００４】図（ａ）では、一次コイル１０１は一次側
筐体１００の内部上端に配設され、二次コイル２０２は
一次コイル１０１と同径で、二次側筐体２００の内部下
面に配設され、装着状態で近接対向するようにされてい
る。図（ｂ）では、一次側筐体１００の上面であって、
一次コイル１０１の径の内側が窪んでおり、この窪み部
分に二次側筐体２００が嵌入状態で装着されるようにさ
れ、一次コイル１０１の内周側で同心軸上に二次コイル
２０１が配置されるようになっている。図（ｃ）では、
一次側筐体１００の上面には上下方向の内外側に伸びた
柱状のコア１０２が立設され、一方、二次側筐体２００
の下面にはコア１０２が嵌入可能な凹穴２０２が形成さ
れ、一次コイル１０１と二次コイル２０１とがコア１０
２を介して磁気結合されるようになっている。図（ｄ）
では、一次側筐体１００の上面の一部に突出部１０３を
形成し、この部分に柱状のコア１０４と一次コイル１０
１とを配設し、一方、二次側筐体２００の下面には上記
突出部１０３が嵌まり込む凹穴２０３を形成し、この凹
穴２０３の周囲に二次コイル２０１を巻装した構成とさ
れている。

【０００５】そして、一次コイル１０１は商用電源によ
り駆動される発振回路に接続され、この発振回路により
一次コイル１０１に交流電流が供給されて交番磁束が発
生し、この磁束が二次コイル２０１を鎖交することで交
流電力が誘起され、更に整流等されて充放電可能な電池
やモータ等の負荷に供給されるようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、伝達電力の
最大値は、一次側と二次側での漏れ磁束により決定さ
れ、この漏れ磁束は、コアの形状が閉磁路の場合に、一
次、二次の間のギャップにより発生するものである。

【０００７】図８は、トランスの等価回路を示す。図に
おいて、Ｌ１，Ｌ２は一次側、二次側の漏れインダクタ
ンス、ＬMはトランスの励磁インダクタンスを示す。こ
こで、説明の便宜上、一次側、二次側のコイルの巻線比
を１とし、ＬMの値がＬ１，Ｌ２に比して十分大きいと
した場合において、負荷抵抗Ｒとの直列インダクタンス
Ｌは、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２となる。このことから、一次入力
電圧をＶｉとすると、二次側出力電圧Ｖｏ及び出力電力
Ｐｏは、数１のように表される。

【０００８】

【数１】

【０００９】数１の各式より、最大負荷電流、最大負荷
電力が求まり、その値は上記Ｌの値が小さいほど大きく
なることが分かる。

【００１０】上記従来の電力伝達部分の構造では、コア
が磁路の一部にしか設けられておらず、閉磁路が構成さ
れていないため、漏れ磁束の発生を抑制するにも限界が
あった。従って直列インダクタンスＬが大きな値となら
ざるを得ず、数１に示す出力電力Ｐｏとして効果的な高
レベルを得ることができず、このため伝達効率は非常に
低いものとなっていた。このようなことから、特に伝達
電力が大きい場合には、トランスの一次側に対して大電
力を供給可能な構成を採用すればよいが、そうすると、
一次側の構成が勢い大型化してしまい、却って実用性や
携帯性を損なうこととなる。

【００１１】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
一次コイルを有する電源側から二次コイルを有する負荷
側に高効率での電力伝達を可能にする非接触電力伝達装
置を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、脈流電流生成
回路に接続された一次コイルを有する一次側部と、負荷
に接続された二次コイルを有する二次側部とがそれぞれ
分離可能であって、非接触で一次側部から二次側部へ電
力供給を行う電力伝達装置において、上記一次コイルと
二次コイルのうち、一方のコイルを一端が開口した筒状
コアの内周壁に巻装して形成し、他方のコイルを上記筒
状コアの筒径より小径にして板状コアに立設するととも
に、上記筒状コアと板状コアの少なくとも一方に上記他
方のコイルの径より小径となる柱状の中芯を立設し、且
つ上記中芯にコイルを巻装し、この巻装コイルを該中芯
が設けられた側のコイルと直列または並列に接続してな
り、上記一次側部と二次側部とを上記筒状コアの開口と
上記板状コアの立設コイルとが対向するように組み合わ
せた状態で、閉磁路が形成され且つ各コイルが同心軸上
に配置されてなるものである。

【００１３】

【作用】本発明によれば、一次側部と二次側部とが組み
合わされると、中芯、板状コア、筒状コアの周部、筒状
コアの閉塞面部とを環状に経由してなる略完全な閉磁路
が形成される。そして、脈流電流生成回路からオンオフ
電流あるいは交流電流が一次コイルに供給されると、こ
の一次コイルを鎖交する交番磁束が発生する。この鎖交
磁束は中芯に発生し、更に板状コアと筒状コアとからな
る磁気抵抗の小さい閉磁路内に集中し、磁束分散が効果
的に抑止される。従って、発生磁束のほとんどは二次側
部で二次コイルを鎖交することとなるため、漏れ磁束の
発生が極力抑制されることとなり、一次側電力は高い伝
達効率で二次側に伝達される。また、中芯が一次側部に
設けられるときは、一次側となる巻成コイルによって発
生磁束数が増大し、一方、中芯が二次側部に設けられる
ときは、二次側となる巻成コイルによって発生磁束に対
する鎖交数がより増大するので、いずれの場合にも、伝
達効率が高くなる。更に、中芯が一次、二次側部の双方
で分担して設けられているときでも、発生磁束の増大及
び鎖交数の増大となるので、伝達効率が全体として向上
する。

【００１４】

【実施例】図６は、本発明に係る非接触電力伝達装置が
適用される電気機器の回路ブロック図である。図におい
て、ＢＡは電源部、ＲＬは負荷部で、両者はそれぞれ筐
体内に収納されており、分離可能な構成を有している。
電源部ＢＡと負荷部ＲＬとはトランスＴを構成する一次
コイル部１と二次コイル部２とが対向するように装着可
能な構成が採用されている。一次コイル部１には一次コ
イル１０を有し、二次コイル部２には二次コイル２０を
有する。

【００１５】装着形態は載置による場合の他、半固定状
態での嵌着や操作容易なロック機構、弾性材を利用した
ロック部材によるもの等が考えられる。あるいは脱着可
能にされた螺子等による固定的な形態でもよい。負荷部
ＲＬに充放電可能な蓄電池とこの蓄電池で駆動可能なモ
ータ等を有する場合、充電時は不使用状態にあるので、
装着形態として載置タイプを採用することが可能であ
る。負荷部ＲＬが電力供給を受けながら所要の動作、操
作を行うものである場合には、装着タイプが好ましい。

【００１６】電源部ＢＡには、商用電源３の入力ライン
に介設されたダイオードブリッジ等で構成される整流回
路４、整流電力を平滑するコンデンサ５及び直流電力か
ら所定レベルの脈流電流を生成する発振回路６を有し、
発振回路６の出力側は一次コイル１０の両端に接続され
ている。発振回路６としては、公知のスイッチングイン
バータを採用したものが適用可能である。例えば、トラ
ンスＴの一次コイル１０に直列にスイッチング素子を接
続し、この直列回路の両端にコンデンサ５を接続すると
ともに、このスイッチング素子を自励発振等させてスイ
ッチングパルスを生成し、このパルスをスイッチング素
子に供給することで一次コイル１０に流れる電流を繰返
しオンオフして脈流電流を生成させるものである。ま
た、発振回路６としては、直接交流波形の脈流電流を生
成させるものでもよい。

【００１７】負荷部ＲＬは二次コイル２０に接続された
整流用のダイオード７及び整流電力が供給可能にされた
負荷８とを有する。負荷８は、負荷電力により駆動可能
にされたものであればよく、例えばモータ等である。な
お、この負荷８は、充放電可能な蓄電池とこれからの放
電を受けて駆動可能なモータ等の駆動部とから構成され
たものでもよい。この場合、電源部ＢＡは充電器として
作用することとなる。

【００１８】次に、この回路構成の動作を説明する。商
用電源３が投入され、整流ブリッジ４、コンデンサ５に
より整流平滑された直流電力が発振回路６に供給される
と、発振回路６が発振動作を開始し、一次コイル１０に
繰返しオンオフされる一次電流を供給する。このオンオ
フ電流により一次コイル１０に交番磁束が発生する。こ
の状態で、負荷部ＲＬが電源部ＢＡに装着されている
と、一次側の交番磁束が二次コイル２０を鎖交すること
によって二次コイル２０に交流電力が誘起される。交流
電力はダイオード７で整流された後、負荷８に供給さ
れ、負荷の駆動が開始される。

【００１９】図１は、本発明に係る非接触電力伝達装置
の第１実施例を示す斜視図で、図（ａ）は周方向に１／
４だけ切欠いた状態の一次コイル部１、図（ｂ）は二次
コイル部２を示している。図２は、図１の縦断面図で、
図（ａ）は一次コイル部１と二次コイル部２とを組み合
わせた状態、すなわち負荷部ＲＬを電源部ＢＡに装着し
た状態を示し、図（ｂ）は一次コイル部１、図（ｃ）は
二次コイル部２を示している。

【００２０】図１（ａ）、図２（ｂ）において、一次コ
イル部１は、強磁性体材料からなり、所定径かつ所定長
を有する円筒コア１１を備え、円筒壁１２や後壁１３は
それぞれ磁束密度や磁気抵抗等の関係から得られる所要
の厚みを有して形成されている。一次コイル１０は円筒
壁１２の内周面に所要ターン数だけ巻装されている。円
筒コア１１の軸上にはこの円筒コア１１と一致する高さ
位置までの、同じく強磁性体材料からなる小径を有する
円柱状の中芯が立設形成されている。

【００２１】また、一次コイル１０の両端は、図示して
いないが、円筒コア１１の適宜位置に穿設された微孔あ
るいは表面を這わして発振回路６へ導かれている。

【００２２】図１（ｂ）、図２（ｃ）において、二次コ
イル部２は、強磁性体材料からなり、上記円筒コア１１
の外径と等しい径及び所定厚を有する円板コア２１を備
え、その中心部に所定径であって空心状所要ターン数だ
け巻成された二次コイル２０が立設されている。二次コ
イル２０は、そのコイル径が上記中芯１４の径と円筒壁
１２の内径、詳しくは円筒壁１２の内周面に巻成された
一次コイル１０の内径との間の寸法に設定され、立設方
向の寸法が上記中芯１４と同一寸法にされている。二次
コイル２０の形状を上記のように設計することで、一次
コイル部１と二次コイル部２とが組み合わされたとき、
図２（ａ）に示すように、二次コイル２０が円筒コア１
１の内部に嵌まり込み、かつ後壁１３まで行き届いて、
一次コイル１０と二次コイル２０とを同心軸上で重畳さ
せることができるとともに、円筒壁１２、中芯１４の各
円板コア２１の表面と略一致する位置まで近接し、更に
円板コア２１の径を円筒コア１１の径と一致させたの
で、円板コア２１、円筒コア１１の円筒壁１２、後壁１
３及び中芯１４とから環状の閉磁路が形成されるように
している。

【００２３】図２（ｂ）（ｃ）において、円筒コア１
１、円板コア２１を覆う破線はそれぞれ電源部ＢＡ、負
荷部ＲＬの筐体の形状を示している。これらの筐体は非
磁性の樹脂材等からなり、少なくとも、電力伝達部分で
は薄厚に形成され、円筒壁１２、中芯１４の各先端と円
板コア２１の表面とのギャップ長を可及的に小さくして
いる。このようにギャップ長をより小さくすることで、
より完全な閉磁路に近付けることができる。

【００２４】図３は、本発明に係る非接触電力伝達装置
の第２実施例を示す斜視図で、図（ａ）は周方向に１／
４だけ切欠いた状態の一次コイル部１ａ、図（ｂ）は二
次コイル部２ａを示している。この第２実施例では、第
１実施例における中芯１４を二次コイル部２ａ側に設け
たものである。すなわち、二次コイル部２ａの円板２１
の表面中央には所要径を有する円柱状の中芯２２が突設
され、この中芯２２に所要ターン数だけ二次コイル２０
が巻成されている。このような構成を採用しても、第１
実施例と同様、より完全な閉磁路を形成することが可能
である。また、二次コイル２０を中芯２２に巻装する構
成なので、二次コイル２０に対する保持強度が増大する
という利点を有する。

【００２５】図４は、本発明に係る非接触電力伝達装置
の第３実施例を示す斜視図で、図（ａ）は周方向に１／
４だけ切欠いた状態の一次コイル部１ｂ、図（ｂ）は二
次コイル部２ｂを示している。図５は、図４の縦断面図
で、図（ａ）は一次コイル部１ｂ、図（ｂ）は二次コイ
ル部２ｂを示している。なお、二次コイル部２ｂの構成
は第１実施例と基本的に同一である。

【００２６】図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、一
次コイル部１ｂは、基本的に第１実施例と同様な構成を
有し、更にかかる構成に加えて、中芯１４の周囲に一次
側となる第３のコイル１５を巻成したものである。この
第３のコイル１５は一次コイル１０と直列、あるいは並
列に接続されてなるものである。第３のコイル１５を二
次コイル２０の内周部分に、いわばサンドイッチ巻き状
に設けることで漏れ磁束を更に抑制し、磁気結合を良好
にすることが可能となる。また、第３のコイル１５を一
次コイル１０に対して並列に接続することで、大型化を
招くことなく電源部ＢＡからの供給電力を大きく設定す
ることができるという利点もある。なお、二次コイル２
０は、その径が一次コイル１０の内径と第３のコイル１
５の外径との間に設定されており、一次コイル部１ｂと
二次コイル部２ｂとが組み合わせ可能にされている。

【００２７】本発明においては、更に以下の態様を採用
することも可能である。 （１）第１〜３実施例において、一次コイル部と二次コ
イル部との構成を逆にするようにしてもよく、このよう
にしても閉磁路が形成可能である。 （２）第１実施例において、中芯１４は一次コイル部、
二次コイル部にそれぞれ、例えば１／２寸法乃至は所要
寸法分ずつ分担して形成するようにしてもよい。 （３）円筒コア１１及び円板コア２１は円形状に限定さ
れるものではなく、両者の形状が一致していれば、多角
形等の種々の形状が採用可能である。この場合には、一
次コイル部と二次コイル部との装着を所定角度に位置決
めして行わすことが可能となる。 （４）中芯１４、２２は柱状であればよく、円柱に限定
されるものではなく、また筒形の柱状のものでもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、一次コイルと二次コイルのうち、一方のコ
イルを一端が開口した筒状コアの内周壁に巻装して形成
し、他方のコイルを上記筒状コアの筒径より小径にして
板状コアに立設するとともに、上記筒状コアと板状コア
の少なくとも一方に上記他方のコイルの径より小径とな
る柱状の中芯を立設し、且つ上記中芯にコイルを巻装
し、この巻装コイルを該中芯が設けられた側のコイルと
直列または並列に接続してなり、上記一次側部と二次側
部とを上記筒状コアの開口と上記板状コアの立設コイル
とが対向するように組み合わせた状態で、閉磁路が形成
され且つ各コイルが同心軸上に配置されてなる構成とし
たので、非接触式でありながら漏れ磁束を極力押えて一
次コイルから二次コイルへ高効率での電力伝達が可能と
なる。しかも、上記中芯にコイルを巻装し、この巻装コ
イルを該中芯が設けられた側のコイルと直列または並列
に接続するように構成したので、コイルの強度保持、漏
れ磁束の抑制乃至一次側部からの供給電力の増大が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非接触電力伝達装置の第１実施例
を示す斜視図で、図（ａ）は周方向に１／４だけ切欠い
た状態の一次コイル部、図（ｂ）は二次コイル部を示
す。

【図２】図１の縦断面図で、図（ａ）は一次コイル部と
二次コイル部とを組み合わせた状態、すなわち負荷部を
電源部に装着した状態を示し、図（ｂ）は一次コイル
部、図（ｃ）は二次コイル部を示す。

【図３】本発明に係る非接触電力伝達装置の第２実施例
を示す斜視図で、図（ａ）は周方向に１／４だけ切欠い
た状態の一次コイル部、図（ｂ）は二次コイル部を示
す。

【図４】本発明に係る非接触電力伝達装置の第３実施例
を示す斜視図で、図（ａ）は周方向に１／４だけ切欠い
た状態の一次コイル部、図（ｂ）は二次コイル部を示
す。

【図５】図４の縦断面図で、図（ａ）は一次コイル部、
図（ｂ）は二次コイル部を示す。

【図６】本発明に係る非接触電力伝達装置が適用される
電気機器の回路ブロック図である。

【図７】従来の非接触式の給電装置における電力伝達部
分の構造を示す縦断面図で、図（ａ）〜（ｄ）はそれぞ
れのタイプの構成を示す。

【図８】トランスの等価回路を示す回路図である。

【符号の説明】 １，１ａ，１ｂ 一次コイル部 １０ 一次コイル １１ 円筒コア １２ 円筒壁 １３ 後壁 １４ 中芯 １５ 第３のコイル（巻装コイル） ２，２ａ，２ｂ 二次コイル部 ２０ 二次コイル ２１ 円板コア ２２ 中芯 ６ 発振回路（脈流電流生成回路） ８ 負荷 ＢＡ 電源部（一次側部） ＲＬ 負荷部（二次側部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−65318（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−133110（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−29128（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開374749（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 27/28 H01F 38/14 H02J 17/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 脈流電流生成回路に接続された一次コイ
   ルを有する一次側部と、負荷に接続された二次コイルを
   有する二次側部とがそれぞれ分離可能であって、非接触
   で一次側部から二次側部へ電力供給を行う電力伝達装置
   において、上記一次コイルと二次コイルのうち、一方の
   コイルを一端が開口した筒状コアの内周壁に巻装して形
   成し、他方のコイルを上記筒状コアの筒径より小径にし
   て板状コアに立設するとともに、上記筒状コアと板状コ
   アの少なくとも一方に上記他方のコイルの径より小径と
   なる柱状の中芯を立設し、且つ上記中芯にコイルを巻装
   し、この巻装コイルを該中芯が設けられた側のコイルと
   直列または並列に接続してなり、上記一次側部と二次側
   部とを上記筒状コアの開口と上記板状コアの立設コイル
   とが対向するように組み合わせた状態で、閉磁路が形成
   され且つ各コイルが同心軸上に配置されてなることを特
   徴とする非接触電力伝達装置。