JP5293851B2 - コイルユニット及び非接触給電システム - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導によって、電力の送電及び受電の少なくともいずれか一方を行うコイルユニットに関する。

電磁誘導による非接触送受電システムに用いられるコイルユニットとして、コイルと、コイルに電気的に接続されたコンデンサと、を備えるものが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。送電側のコイルと受電側のコイルとの間に比較的大きな空隙が存在するため、結合係数が低く、漏れインダクタンスが大きくなり、給電効率が低下する。そこで、コイルにコンデンサを接続して共振回路を構成し、この共振回路により給電効率の改善を図っている。

阿部茂、金子裕良、「非接触給電技術」、電気学会誌、２００８年、１２８巻、１２号、ｐ．７９６−７９９

ところで、コイルユニットを搭載する箇所によっては、コイル及びコンデンサを保護するために、コイルユニットに強度が必要となる。

本発明は、強度を確保することが可能なコイルユニットを提供することを目的とする。

本発明に係るコイルユニットは、電磁誘導によって、電力の送電及び受電の少なくともいずれか一方を行うコイルユニットであって、コイルと、コイルに電気的に接続されたコンデンサと、非磁性材料からなり、一方に開口を有すると共に、その内部空間が仕切壁部によりコイルが収納される第一収納空間とコンデンサが収納される第二収納空間とに画された筐体と、開口のうち第二収納空間に対応する領域を閉じる蓋体と、を備え、第一収納空間には、第一収納空間に収納されたコイルを覆うように、樹脂が充填されている。

本発明に係るコイルユニットでは、筐体は仕切壁部を有することとなるため、剛性が高くなり、コイルユニットの強度が向上する。第二収納空間が蓋体により閉じられることにより、コンデンサを保護することができ、第一収納空間に樹脂が充填されることにより、コイルを保護することができる。

筐体は、内部空間が複数の仕切壁部により第一収納空間と複数の第二収納空間とに画されていてもよい。この場合、複数の仕切壁部により、筐体の剛性がより一層高くなり、コイルユニットの強度が更に向上する。

本発明によれば、強度を確保することが可能なコイルユニットを提供することができる。

本実施形態に係る非接触給電システムを示す構成図である。 コイルユニットを示す斜視図である。 コイルユニットを示す斜視図である。 コイルユニットを示す分解斜視図である。 コイルユニットの変形例を示す斜視図である。 コイルユニットの変形例を示す斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る非接触給電システムの構成を説明する。図１は、本実施形態に係る非接触給電システムを示す構成図である。

非接触給電システムは、車両１と給電装置１１とを備えている。車両１は、コイルユニットＣＵ１と、整流器３と、蓄電器５と、を有している。車両１の構成は、モータにより駆動される車両であれば、図１に示される構成に限らない。たとえば、モータと内燃機関とを備えるプラグインハイブリッド車両などを含む。

コイルユニットＣＵ１は、整流器３を介して蓄電器５に接続されている。コイルユニットＣＵ１は、コイルＬ１と、コイルＬ１に電気的に接続されたコンデンサＣ１（共振コンデンサ）と、を備えている。本実施形態では、コンデンサＣ１は、コイルＬ１に直列に接続されている。コンデンサＣ１は、コイルＬ１に並列に接続されていてもよい。

給電装置１１は、電源１３と、インバータ部１５と、コイルユニットＣＵ２と、を有している。コイルユニットＣＵ２は、インバータ部１５を介して電源１３に接続されている。コイルユニットＣＵ２は、コイルＬ２と、コイルＬ２に電気的に接続されたコンデンサＣ２（共振コンデンサ）と、を備えている。本実施形態では、コンデンサＣ２は、コイルＬ２に直列に接続されている。コンデンサＣ２は、コイルＬ２に並列に接続されていてもよい。

コイルユニットＣＵ１（コイルＬ１）は、電磁誘導によって、コイルユニットＣＵ２（コイルＬ２）から電力を非接触で受電する。整流器３は、コイルユニットＣＵ１によって取出された交流電力を整流し、整流された電力を蓄電器５へ出力する。蓄電器５は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池が含まれる。蓄電器５として大容量のキャパシタも採用可能である。コイルユニットＣＵ１は、たとえば車体下部に搭載される。

電源１３は、車両外部の電源であり、たとえば商用電源である。インバータ部１５は、電源１３から受ける電力を所定周波数の電力に変換し、変換した所定周波数の電力をコイルユニットＣＵ２へ供給する。コイルユニットＣＵ２は、たとえば地面近傍に設置される。コイルユニットＣＵ２（コイルＬ２）は、電磁誘導によって、コイルユニットＣＵ１（コイルＬ１）へ電力を送電する。

次に、図２〜４を参照して、コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２の構成を説明する。図２及び図３は、コイルユニットを示す斜視図である。図４は、コイルユニットを示す分解斜視図である。図３及び図４では、後述する蓋体２３及び樹脂４５の図示が省略されている。本実施形態では、コイルユニットＣＵ１とコイルユニットＣＵ２とが同じ構造である。

コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２は、上述したコイルＬ１，Ｌ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２の他に、筐体２１と、蓋体２３と、を備えている。

コイルＬ１，Ｌ２は、コア３１に巻回された導線３３により構成される。コア３１は、フェライトなどの磁性材料からなる。コア３１は、平板形状を呈している。導線３３には、たとえばリッツ線を用いることができる。コンデンサＣ１，Ｃ２は、複数のコンデンサ素子３５により構成される。複数のコンデンサ素子３５は、基板３７に実装されている。

筐体２１は、コイルＬ１，Ｌ２とコンデンサＣ１，Ｃ２とが収納される非磁性材料からなる部材であり、平面視で矩形形状を呈しており、一方に開口を有する有底箱状の部材である。本実施形態では、筐体２１は、アルミニウムからなる。筐体２１がアルミニウムからなることにより、漏れ磁束を遮蔽して、結合係数を高めることができると共に、軽量化を図りつつ強度を確保することができる。

筐体２１は、底部２１ａと、側壁部２１ｂと、仕切壁部２１ｃと、を有している。底部２１ａは、矩形形状を呈しており、側壁部２１ｂは、底部２１ａの各辺から底部２１ａに直交する方向に延びている。仕切壁部２１ｃは、対向する２つの側壁部２１ｂにわたるように、底部２１ａに直交する方向に底部２１ａから延びている。これにより、筐体２１の内部空間は、第一収納空間Ｓ１と第二収納空間Ｓ２とに画される。

第一収納空間Ｓ１には、コイルＬ１，Ｌ２が収納される。コイルＬ１，Ｌ２は、底部２１ａの第一収納空間Ｓ１に面する領域に配置された載置部２５と、載置部２５に着脱可能に取り付けられる押え部４３とにより、固定されている。具体的には、コア３１の端部が載置部２５と押え部４３とで挟持されることにより、筐体２１に固定される。

第一収納空間Ｓ１には、第一収納空間Ｓ１に収納されたコイルＬ１，Ｌ２を覆うように、樹脂４５が充填されている。樹脂４５としては、たとえば、エポキシ樹脂などを用いることができる。樹脂４５は、第一収納空間Ｓ１にコイルＬ１，Ｌ２を収納した後に、硬化前の樹脂４５を第一収納空間Ｓ１に注入し、その後硬化することにより得られる。

第二収納空間Ｓ２には、コンデンサＣ１，Ｃ２（複数のコンデンサ素子３５）が収納される。コンデンサＣ１，Ｃ２は、複数のコンデンサ素子３５が実装された基板３７を底部２１ａの第二収納空間Ｓ２に面する領域に対して取り付けることにより、第二収納空間Ｓ２に収納される。筐体２１の開口のうち第二収納空間Ｓ２に対応する領域が、蓋体２３により閉塞される。蓋体２３は、底部２１ａの第二収納空間Ｓ２に面する領域と対向し、筐体２１に着脱可能に取り付けられる。蓋体２３の材料は、非磁性体であれば特に限られないが、筐体２１の剛性を高めるためには、金属製（たとえば、アルミニウム製）であることが好ましい。

筐体２１の一の側面（側壁部２１ｂ）には、コイルＬ１，Ｌ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２に電気的に接続される複数の配線Ｗ１，Ｗ２の取出し部４７が設けられている。配線Ｗ１は、コイルＬ１，Ｌ２（リッツ線）の一端に接続されている。配線Ｗ２は、基板３７の端子電極（不図示）に接続されており、これによりコンデンサＣ１，Ｃ２（複数のコンデンサ素子３５）と電気的に接続されることとなる。コイルＬ１，Ｌ２（リッツ線）の他端は、基板３７に配置された端子電極（不図示）に接続されており、これによりコンデンサＣ１，Ｃ２と直列に接続されることとなる。

コイルユニットＣＵ１とコイルユニットＣＵ２とは、筐体２１の開口側が互いに対向するように配置される。すなわち、コイルユニットＣＵ１は、筐体２１の開口側が下方に向くように車両１に搭載され、コイルユニットＣＵ２は、筐体２１の開口側が上方に向くように地面近傍に設置される。

以上のように、本実施形態では、筐体２１は、第一収納空間Ｓ１と第二収納空間Ｓ２とを画するための仕切壁部２１ｃを有することとなるため、剛性が高くなり、コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２の強度が向上する。第二収納空間Ｓ２が蓋体２３により閉じられるため、コンデンサＣ１，Ｃ２を保護することかでき、第一収納空間Ｓ１に樹脂４５が充填されるため、コイルＬ１，Ｌ２を保護することができる。

本実施形態では、筐体２１に蓋体２３が取り付けられること、及び、第一収納空間Ｓ１に樹脂４５が充填されることによっても、筐体２１の剛性が高まり、コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２の強度がより一層向上する。

本実施形態では、第一収納空間Ｓ１に樹脂４５が充填されていることにより、コイルＬ１，Ｌ２の電気絶縁性を確保することができる。

本実施形態では、筐体２１の一の側面には、コイルＬ１，Ｌ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２に電気的に接続される複数の配線Ｗ１，Ｗ２の取出し部４７が設けられている。これにより、コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２への配線Ｗ１，Ｗ２の接続を簡易に行うことができ、各種装置への搭載を容易に行うことができる。

続いて、図５及び図６を参照して、コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２の変形例の構成を説明する。図５及び図６は、コイルユニットの変形例を示す斜視図である。図６では、蓋体２３及び樹脂４５の図示が省略されている。

図５及び図６に示された変形例では、筐体２１は、内部空間が複数の仕切壁部２１ｃにより一つの第一収納空間Ｓ１と複数の第二収納空間Ｓ２とに画されている。本変形例では、筐体２１の内部空間が二つ仕切壁部２１ｃにより一つの第一収納空間Ｓ１と二つの第二収納空間Ｓ２とに画されている。第一収納空間Ｓ１は、二つの第二収納空間Ｓ２の間に位置している。

本変形例では、筐体２１が複数の仕切壁部２１ｃ（二つの仕切壁部２１ｃ）を有している。このため、筐体２１の剛性がより一層高くなり、コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２の強度が更に向上する。

本変形例では、第一収納空間Ｓ１が二つの第二収納空間Ｓ２の間に位置しているため、第一収納空間Ｓ１、すなわちコイルＬ１，Ｌ２が、コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２の中央部分に位置することとなる。このため、コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２の搭載位置などの設計自由度が向上する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

上述した変形例では、筐体２１の内部空間が二つ仕切壁部２１ｃにより一つの第一収納空間Ｓ１と二つの第二収納空間Ｓ２とに画されているがこれに限られない。たとえば、筐体２１の内部空間が三つ以上の仕切壁部２１ｃにより一つの第一収納空間Ｓ１と三つ以上の第二収納空間Ｓ２とに画されていてもよい。

上述した実施形態及びその変形例では、筐体２１の材料として、アルミニウムが用いられているが、これに限られない。たとえば、筐体２１の材料として樹脂（たとえば、炭素繊維などによる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）など）を用い、コイルＬ１，Ｌ２が収納される第一収納空間Ｓ１に面する領域を覆うように、アルミニウム箔や銅箔などの部材が貼付されていてもよい。

第一収納空間Ｓ１に充填された樹脂４５を覆うように、更に、樹脂製の蓋体を設けてもよい。この場合、筐体２１の剛性が更に高まり、コイルユニットＣＵ１，ＣＵ２の強度がより一層向上する。第一収納空間Ｓ１を金属製の蓋体で覆う場合、電力を伝送するための磁路に金属が挿入されることとなり、結合係数が低下してしまう。また、金属によっては、渦電流が生じ、蓋体が発熱する懼れがある。

本実施形態では、車両に対する非接触給電システムを例に説明したが、本発明はこれに限られることなく、車両以外の移動体や、電気製品などにも適用できる。

本発明は、非接触給電システムに利用できる。

２１…筐体、２１ｃ…仕切壁部、２３…蓋体、４５…樹脂、４７…取出し部、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、ＣＵ１，ＣＵ２…コイルユニット、Ｌ１，Ｌ２…コイル、Ｓ１…第一収納空間、Ｓ２…第二収納空間、Ｗ１，Ｗ２…配線。

Claims (7)

1. 電磁誘導によって、電力の送電及び受電の少なくともいずれか一方を行うコイルユニットであって、
   コイルと、
   前記コイルに電気的に接続されたコンデンサと、
   非磁性材料からなり、一方に開口を有すると共に、その内部空間が仕切壁部により前記コイルが収納される第一収納空間と前記コンデンサが収納される第二収納空間とに画された筐体と、
   前記開口のうち前記第二収納空間に対応する領域を閉塞する蓋体と、を備え、
   前記第一収納空間には、前記第一収納空間に収納された前記コイルを覆うように、樹脂が充填され、前記樹脂が前記第一収納空間の内部で硬化していることを特徴とするコイルユニット。
2. 前記筐体は、前記内部空間が複数の前記仕切壁部により前記第一収納空間と複数の前記第二収納空間とに画されていることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記筐体は、
   前記第一及び第二収納空間の底面を構成する底部と、
   前記底部の各辺から立設された側壁部と、
   対向する２つの側壁部にわたるように前記底部に立設され、前記側壁部と同じ高さの前記仕切壁部とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のコイルユニット。
4. 前記筐体の前記側壁部には、前記コイル及び前記コンデンサに接続された配線の取出し部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のコイルユニット。
5. 前記筐体は、アルミニウムを含む金属製の非磁性材料、または、前記第一収納空間に面する領域を金属泊で覆った樹脂製材料よりなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイルユニット。
6. 前記第一収納空間に充填された前記樹脂を覆うように、更に、樹脂製の蓋体が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のコイルユニット。
7. 車両に搭載された請求項１〜６のいずれか１項に記載のコイルユニットと、
   地面近傍に設置された請求項１〜６のいずれか１項に記載のコイルユニットと、を備えた非接触給電システムであって、
   車両側の前記コイルユニットと地面側の前記コイルユニットは、前記筐体の開口側が互いに対向するように配置されていることを特徴とする非接触給電システム。

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