JP5562804B2 - インダクタンス可変の非接触給電装置 - Google Patents
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Description
ケーブル等の機械的接触なしで、例えば電気自動車等の車輌に、外部から電力を供給する非接触給電装置が、需要に基づき開発,実用化されている。
この非接触給電装置では、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、地上側に定置された1次側回路の1次コイルから、車輌,その他の移動体側に搭載された2次側回路の2次コイルに、数10mm〜数100mm程度のエアギャップを存し非接触で対応位置しつつ、電力を供給する(後述する図4等も参照)
そして、この種の非接触給電装置は、従来より各種の条件を勘案しつつ、次のように設計,製作されている。
すなわち、必要とされる供給電力量を前提条件としつつ、エアギャップの間隔寸法、2次側回路の全電気抵抗や、給電交流の周波数、1次コイルと2次コイルの巻数比、磁心コアの面積(形成磁束の磁気面積)、等々の各種条件について、相互調整,設定することにより、1次コイルや2次コイルについて、最良のコイル性能そしてインダクタンスの最適値が得られるように、設計,製作されている。
もって、電磁結合される1次側回路と2次側回路について、高い結合係数が得られ、励磁無効電力が小さく、2次側の実効有効電力が大きく取り出せるようになる等、給電効率の向上が図られている。
ところで、このような従来の非接触給電装置については、次の課題が指摘されていた。
給電に際しては、地上側に定置された1次コイルに対し、移動体側に搭載された2次コイルが、所定のエアギャップの基で正確に対応位置していることが、前提となる。しかしながら実際の運用上は、エアギャップ変動や位置ずれが、不可避的に多発していた。
すなわち、1次コイルに対し2次コイルが、所定のエアギャップより、小さいエアギャップで位置したり(過接近)、大きいエアギャップで位置したり(過離反)、前後方向に位置ずれしたり(前後ずれ)、左右方向に位置ずれしたりする(横ずれ)ことが、多々あった。これらは、給電時の例えば車輌の重量変動や運転操作に起因して、多々発生する。
そして、このようなエアギャップ変動や位置ずれが発生すると、給電効率が変化し,低下する、という問題が指摘されていた。
すなわち、前述したようにエアギャップは、最良のコイル性能そしてインダクタンスの最適値を得るための重要なファクターである。エアギャップ変動や位置ずれが発生すると、インダクタンスが最適値から大小変化して、2次側の実効有効電力が低下し、給電効率が低下する事態発生が懸念されていた。
本発明のインダクタンス可変の非接触給電装置は、このような実情に鑑み、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第1に、エアギャップ変動や位置ずれにより変化するインダクタンスが、最適値を維持するように変更調整,補正され、もって給電効率低下が回避され、第2に、しかもこれが、磁心コアについて、中央1枚と両側2枚の3枚1組構造とし、もってその全体トータル表面積を広狭変更可能としたことにより、簡単容易に実現される、インダクタンス可変の非接触給電装置を提案することを、目的とする。
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、特許請求の範囲に記載したように、次のとおりである。
このインダクタンス可変の非接触給電装置は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次側回路の1次コイルから2次側回路の2次コイルに、エアギャップを存し非接触で対応位置しつつ、電力を供給する。
そして、該1次コイルや2次コイルに付設された磁心コアは、フェライトコア,その他の強磁性体よりなり、平板状をなし、中央1枚と両側2枚の3枚1組構造よりなる。
中央磁心コアは、その中央部に、該1次コイルや2次コイルが螺状巻回され、両端部に、それぞれ両側磁心コアの側部が重ねられて摺接されている。
該両側磁心コアは、エアギャップ変動の大小や位置ずれの大小に対応して、該中央磁心コアの中央部に螺状巻回された該1次コイルや2次コイルを、中央に介在させつつ、相互間が両側に離反又は接近すべく直線的にスライド移動可能となっている。
すなわち、具体的には次のとおり。
まず、該1次コイルと2次コイル間のエアギャップが、接近により設定より小さくなった場合は、次のようになる。インダクタンスが最適値より大となるが、該磁心コアの全体トータル表面積が狭くなるように、該両側磁心コアをスライド移動させることにより、インダクタンスが小となり、インダクタンスの最適値が維持される。
これに対し、該1次コイルと2次コイル間のエアギャップが、離反により設定より大きくなった場合や、位置ずれの場合は、次のようになる。インダクタンスが最適値より小となるが、該磁心コアの全体トータル表面積が広くなるように、該両側磁心コアをスライド移動させることにより、インダクタンスが大となり、インダクタンスの最適値が維持されること、を特徴とする。
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
(1)非接触給電装置では、定置された1次コイルに対し、車輌等に搭載された2次コイルが、所定エアギャップのもとで対応位置して、給電が実施されるようになっている。
(2)しかしながら実際の運用では、エアギャップ変動や位置ずれが、発生し易い。すなわち、1次コイルと2次コイル間において、所定のエアギャップの間隔寸法より接近したり離反したりすることが、多々ある。又、前後や左右に対応位置から位置ずれすることも、多々ある。
(3)そこで、エアギャップ変動や位置ずれが発生した場合、磁心コアの全体トータル表面積が、対応して変更可能となっている。
(4)すなわち、一部が重なり合う中央磁心コアと両側磁心コアとの組合わせにより形成され磁心コアについて、両側磁心コアが、相互間で離反又は接近すべく直線的にスライド移動することにより、磁心コアの全体トータル表面積が、対応して広狭変更される。
(5)そこで、エアギャップ変動や位置ずれに基づき過大や過少に大小変化した、1次コイルや2次コイルのインダクタンスは、このような磁心コアの全体トータル表面積変更により、更に変更調整,補正される。このようにして、インダクタンスが最適値に維持される。
(6)そして、このように作用する非接触給電装置は、磁心コアについて、中央1枚と両側2枚の3枚1組構造とすると共に、その両側磁心コアを、中央磁心コアに対し直線的にスライド移動可能に摺接した、簡単な構造よりなる。
(7)又、磁心コアは、平板状の中央磁心コアに、平板状の両側磁心コアを重ねて摺設してなるので、全体肉厚を薄く形成可能である。
(8)更に磁心コアは、中央磁心コアにコイルが巻回されているので、形成される磁束密度が密でありインダクタンス増加が可能となり、コイル使用量を削減可能となる。
(9)さてそこで、本発明のインダクタンス可変の非接触給電装置は、次の効果を発揮する。
第1に、エアギャップ変動や位置ずれにより変化するインダクタンスが、最適値を維持するようになるので、給電効率の低下が回避される。
すなわち、本発明のインダクタンス可変の非接触給電装置では、エアギャップ変動や位置ずれが生じると、対応して両側磁心コアが、中央磁心コアに対し直線的にスライド移動可能となっている。
もって、磁心コアの全体トータル表面積を変更することにより、エアギャップ変動や位置ずれにより過大や過少に大小変化したインダクタンスが、変更調整,補正せしめられて、最適値を維持する。
そこで、前述したこの種従来例のように、エアギャップ変動や位置ずれにより、給電効率が低下する事態は回避される。すなわち、コイル性能は最良状態に保持され、電磁結合される1次側回路と2次側回路は、高い結合係数が維持され、励磁無効電力が小さく、2次側にて実効有効電力が大きく取り出せる等、優れた給電効率が維持される。
第2に、しかもこれは、磁心コアについて、中央1枚と両側2枚とし、もってその全体トータル表面積を広狭変更可能としたことにより、簡単容易に実現される。
すなわち、本発明のインダクタンス可変の非接触給電装置は、磁心コアを直線的にスライド移動可能な3枚1組構造とした簡単な構造により、上述したように優れた給電効率を容易に実現する。
又、この本発明で採用した磁心コアは、このように構造が簡単なので製造容易であり、ローコストで製造可能である。なお、1枚の中央磁心コアと2枚の両側磁心コアは、形状統一が容易であり、この面からもローコストで製造可能である。
更に、本発明の磁心コアは、前述したこの種従来例で使用されているいわゆるE型の磁心コアに比し、全体肉厚を薄く形成可能であり、もって例えばコンパクト化等が促進される。
又、本発明の磁心コアでは、中央磁心コアにコイルが巻回されるので、前述したこの種従来例で使用されているいわゆるフラット平板型の磁心コア(渦巻き巻回されたコイルに添設される)に比し、インダクタンスを大きくできる。もってその分、コイル銅線の使用量を削減可能であり、この面からもコスト面に優れている。
このように、この種従来例に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。
《非接触給電装置Aについて》
まず、本発明の前提となる非接触給電装置Aについて、図3や図4を参照して、一般的に説明する。
非接触給電装置Aは、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次側回路1の1次コイル2から、2次側回路3の2次コイル4に、エアギャップGを存して非接触で対応位置して、電力を供給する。1次側回路1は、地上B側に定置配設されており、2次側回路3は、車輌C側等の移動体側に搭載されている。
これに対し、受電側,ピックアップ側,2次側の2次側回路3は、電気自動車(EV車)や電車等の車輌C,その他の移動体に搭載されている。2次側回路3は、移動体の駆動用の他、非駆動用としても利用可能であり、図4中に示したように車載のバッテリー5に接続されるのが代表的であるが、その他の各種負荷Lに直接接続される場合もある。
そして、1次側回路1の1次コイル2と2次側回路3の2次コイル4とは、給電に際し、数10mm〜数100mm、例えば50mm〜150mm程度の僅かな間隙空間であるエアギャップGを存しつつ、非接触で近接対峙して対応位置される。図示例では、上下で対応位置される。
又、給電に際しては、2次コイル4が、1次コイル2上等で対応位置して停止される停止給電方式が代表的である。これに対し、2次コイル4が1次コイル2上を低速走行しつつ給電を行う移動給電方式も、可能である。
なお図示例によらず、1次側回路1について、共振用としていずれか一方(直列共振用又は並列共振用)のコンデンサ8又は9のみを、設けることも考えられる。又、2次側回路3について、並列共振用のコンデンサ10と共に又はこれに換えて、直列共振用のコンデンサを設けることも考えられる。更に、1次側回路1と2次側回路3について、いずれか一方のみを共振回路とし、他方には共振用のコンデンサを設けないことも可能である。
2次側回路3の2次コイル4は、図4の例ではバッテリー5に接続可能となっており、給電により充電されたバッテリー5にて走行用のモータ11が駆動されるのに対し、図3の例では、その他の負荷Lに電力供給される。図4中12は、交流を直流に変換するコンバータ(整流部や平滑部)、13は、直流を交流に変換するインバータである。
すなわち、1次側回路1の1次コイル2に、電源6から例えば数kHz〜100kHz程度の交流を、給電交流,励磁電流として印加,通電することにより、磁界が1次コイル2の周囲に生じ、磁束がコイル面に対して直角方向に形成される。
そして、このように形成された磁束が、2次側回路3の2次コイル4を貫き鎖交することにより、誘導起電力が生成されて磁場が形成される。このように、誘起された磁界を利用して、電力が送受される。1kW程度〜数kW以上、更には数10kW〜数100kW程度の電力供給も可能である。
非接触給電装置Aでは、このような電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次コイル2と2次コイル4間に磁束の磁路が形成され、1次コイル2そして1次側回路1と、2次コイル4そして2次側回路3との間が電磁結合されて、非接触給電が実施される。
非接触給電装置Aについて、一般的説明は以上のとおり。
以下、本発明のインダクタンス可変の非接触給電装置Aについて、図1を参照して説明する。まず、本発明の概要については、次のとおり。
本発明のインダクタンス可変の非接触給電装置Aでは、1次コイル2と2次コイル4間のエアギャップG変動や位置ずれに対応すべく、1次コイル2や2次コイル4に付設された磁心コア14の全体トータル表面積が変更可能、そして1次コイル2や2次コイル4のインダクタンスが可変となっている。
すなわち磁心コア14は、フェライトコア,その他の強磁性体よりなり、平板状をなし、中央1枚と両側2枚の3枚1組構造よりなる。
そして中央磁心コア15は、その中央部16に、1次コイル2や2次コイル4が螺状巻回され、その両端部17に、それぞれ両側磁心コア18,19の側部20,21が、重ねられ摺接されている。
この両側磁心コア18,19は、中央磁心コア15に対し、直線的にスライド移動可能に摺接されており、もって、このような中央磁心コア15と両側磁心コア18,19の組合わせにより形成される磁心コア14の全体トータル表面積が、広狭変更可能となっている。
本発明の概要については、以上のとおり。以下、このような本発明について、更に詳述する。
まず、磁心コア14の構造について、説明する。
磁心コア14は、1次コイル2や2次コイル4に付設されており、強磁性体よりなり、フェライトコアが代表的に用いられる。そして、1次コイル2,2次コイル4のインダクタンスを増加せしめて、電磁結合を強化すると共に、形成される磁束を誘導,収集,方向付けする。
本発明では、このような磁心コア14として、中央1枚と両側2枚の3枚1組構造が、採用されている。
図示例では、1次コイル2に付設される磁心コア14も、2次コイル4に付設される磁心コア14も、共に、このような3枚1組構造からなっている。なお図示例によらず、1次コイル2又は2次コイル4のいずれか一方のみが、このような3枚1組構造の磁心コア14よりなり、他方は、従来より一般的な1枚のフラット平板型(渦巻き巻回されたコイルに添設される)や、E型の磁心コアや、中央磁心コア15のみよりなる(両側磁心コア18,19が存しない)例も可能である。
中央磁心コア15は、その中央部16に、1次コイル2を構成する絶縁被覆されたコイル導線2’(2次コイル4を構成する絶縁被覆されたコイル導線4’)が、螺状巻回されている。
そして、中央磁心コア15の両端部17に、それぞれ両側磁心コア18,19の側部20,21が、重ねられている。図示例では、中央磁心コア15の左端部17に、左側磁心コア18の右側部20が重ねられ、中央磁心コア15の右端部17に、右側磁心コア18の左側部21が重ねられている。(なお、側部20,21というネーミングに関しては、これに換えて端部とネーミングしても良く、ここで用いられる側部の用語の意味内容は、端部という用語と変わりはない。)
これと共に、このように重ねられた両側磁心コア18,19は、中央磁心コア15に対し、直線的スライド移動可能に摺接されている。もって、直線的スライド移動に基づき、両側磁心コア18,19の側部20,21について、中央磁心コア15の両側部17に対する重なり面積が、可変となっている。
磁心コア14の構造については、以上のとおり。
次に、磁心コア14の面積等について、説明する。
上述したように、両側磁心コア18,19は、中央磁心コア15に対して、スライド移動することにより、両側磁心コア18,19の中央磁心コア15に対する重なり面積が可変となっている。
そして、このスライド移動は、相互間の離反又は接近により実施される。すなわち、中央磁心コア15の中央部16の螺状巻回された1次コイル2(2次コイル4)を中央に介在させつつ、図面上ではその左右両側に離反又は接近すべくスライド移動可能となっている。
もって、このような両側磁心コア18,19のスライド移動に伴い、磁心コア14の面積が変更可能となっている。磁心コア14は、中央磁心コア15と両側磁心コア18,19とから構成されるが、中央磁心コア15と重なった両側磁心コア18,19がスライド移動することにより、磁心コア14としての面積(全体表面積,投影面積)が、広狭変更可能となっている。
そして、エアギャップG変動や位置ずれが発生すると、1次コイル2や2次コイル4について、インダクタンス(1次コイル2の自己インダクタンス、2次コイル4の自己インダクタンス、2次コイル4の相互インダクタンス等)が、所定の最適値から大小変化するようになる(これらについては、背景技術欄の技術的背景において、前述したところを参照)。
これに対しては、上述により磁心コア14の面積を広狭変更することにより、もって1次コイル2及び/又は2次コイル4について、インダクタンスを大小変更することにより、対応可能となる。
すなわち、磁心コア14の両側磁心コア18,19は、エアギャップG変動の大小や位置ずれの大小に対応して、相互間が離反又は接近すべくスライド移動可能となっている。もって、磁心コア14の全体面積が広狭変更可能、そして、1次コイル2及び(図示例)/又は2次コイル4のインダクタンスが大小変更可能となっている。
磁心コア14の面積等については、以上のとおり。
次に、上述について、具体的構成により説明する。
図1の(2)図に示したように、1次コイル2と2次コイル4間のエアギャップGが、接近により設定より小さくなった場合については、次のとおり。
この場合は、インダクタンスが最適値より大となるが、磁心コア14の全体トータル表面積、具体的には、1次コイル2側及び2次コイル4側の両方の磁心コア14の面積が、図示のように狭くなるように、両側磁心コア18,19をスライド移動させる。これにより、インダクタンスが小となり、インダクタンスの最適値が維持されるようになる。
これに対し、図1の(3)図に示したように、1次コイル2と2次コイル4間のエアギャップGが、離反により設定より大きくなった場合については、次のとおり(X,Y方向の位置ずれの場合も、これに準じる)。
この場合は、インダクタンスが最適値より小となるが、磁心コア14の全体トータル表面積、具体的には、1次コイル2側及び2次コイル4側の両方の磁心コア14の面積が、図示のように広くなるように、両側磁心コア18,19をスライド移動させる。これにより、インダクタンスが大となり、インダクタンスの最適値が維持されるようになる。
具体的構成については、以上のとおり。
次に、複数の1次コイル2や2次コイル4の組合わせについて、説明する。
図1に示した例では、磁心コア14付の1個の1次コイル2と、磁心コア14付の1個の2次コイル4とが、用いられており、上下等で対応位置していたが、本発明は、このような図示例に限定されるものではなく、複数個を並設して、上下等で対応位置するようにすることも、可能である。
図2の(1)図では2個並設して、それぞれが上下等で対応位置するようにした例が、示されている。すなわち、共に磁心コア14付で同規格の2個の1次コイル2が、そして同様に共に磁心コア14付で同規格の2個の2次コイル4が、X方向(コイルの巻回軸芯方向やコアのスライド移動方向、例えば車輌Cの左右方向、図示では長手方向)に沿うと共に、X方向と直角方向のY方向(例えば車輌Cの前後方向、図示では短手方向)に向け、2個並設されている。
図1に示した例では、X方向の位置ずれに対して、磁心コア14の両側磁心コア18,19をスライド移動させることにより、効果的に対応可能となっていた。
これに対し、図2の(1)図に示した例等、複数個並設例では、X方向の位置ずれのみならず、Y方向の位置ずれに対しても、それぞれ磁心コア14の両側磁心コア18,19をスライド移動させることにより、効果的に対応可能となる。
なおこの場合、並設された磁心コア14間の間隔Eは、磁心コア14の幅Fの半分以上に設定する。半分未満に接近すると、相互間で漏洩磁束が干渉し合い、給電効率低下の一因となる。
複数コイルの組合わせについては、以上のとおり。
本発明のインダクタンス可変の非接触給電装置Aは、以上説明したように構成されている。そこで、以下のようになる。
(1)非接触給電装置Aでは、地上B側に定置された1次側回路1の1次コイル2に対し、車輌C等に搭載された2次側回路3の2次コイル4が、所定のエアギャップGの間隔寸法のもとで、正確に対応位置、対峙位置しての給電が想定されている(図4を参照)。
例えば、給電時の車輌Cの重量変動や運転操作等に起因して、1次コイル2と2次コイル4間において、所定のエアギャップGの間隔寸法より過接近や過離反が発生することが多々ある。前後方向や左右方向に、対応位置から位置ずれすることも多々ある。
もって、一部が重なり合う中央磁心コア15,両側磁心コア18,19の組合わせにより、形成される重なり面積そして磁心コア14のトータル面積が、対応して広狭変更されるようになる(図1の(2)図,(3)図を参照)。
すなわち、エアギャップG変動によりインダクタンスが大となった場合は、小に埋め合わせ相殺,変更調整,補正され、逆に小となった場合は、大に埋め合わせ相殺,変更調整,補正される。これにより、インダクタンスが予め設定された最適値に維持され、給電効率が保持されるようになる。
従って磁心コア14は、全体肉厚を薄く形成可能である。両側磁心コア18,19の肉厚は、コイル導線2’,4’の螺状巻回厚に見合った程度であり、全体肉厚が特に厚くなることはない。
そこで、形成される磁束密度が密であり、インダクタンスを増加させることが可能なので、対応してコイル導線2’,4’の使用量を削減可能となる。
作用等については、以上のとおり。
ところで、本発明のインダクタンス可変の非接触給電装置Aについては、更に、次の第1,第2の構成等が、考えられる。
第1に、共振条件については、次のとおり。
前述により、エアギャップG変動や位置ずれに基づく、インダクタンス変化が、磁心コア14の面積変更で確実に変更調整され,補正された場合は、共振条件も維持されるので、特に問題はない。
しかしながら、両インダクタンス(L)に若干の誤差(エアギャップG変動等に基づくインダクタンス変化分と、磁心コア14の面積変更に基づくインダクタンス変更分との間の誤差)が生じた場合は、他の共振条件である電源6の周波数(f)や、コンデンサ(C)8,9,10等のキャパシタンスを、微調整することにより、共振が維持される(下記の数1を参照)、(図3を参照)。
共振条件については、以上のとおり。
磁心コア14の中央磁心コア15に螺状巻回される1次コイル2や2次コイル4(コイル導線2’,4’)については、図2の(2)図に示したように、スペースを設けることも可能である。
すなわち、図1や図2の(1)図等に示した例のように、密に連続的に螺状巻回するのではなく、図2の(2)図に示した例のように、例えば中央部にスペースを設けて、他の構成部材を配設するようにしてもよい。
図示例では、1次コイル2と2次コイル4間の位置合わせ装置22用として利用されており、そのリードスイッチ23とマグネット24とが、そのスペースを利用して配設されている。
1次コイル2や2次コイル4の螺状巻回態様については、以上のとおり。
2 1次コイル
2’コイル導線
3 2次側回路
4 2次コイル
4’コイル導線
5 バッテリー
6 電源
7 チョークコイル
8 コンデンサ
9 コンデンサ
10 コンデンサ
11 モータ
12 コンバータ
13 インバータ
14 磁心コア
15 中央磁心コア
16 中央部
17 端部
18 両側磁心コア
19 両側磁心コア
20 側部
21 側部
22 位置合わせ装置
23 リードスイッチ
24 マグネット
25 スプリング
A 非接触給電装置
B 地上
C 車輌
D 給電スタンド
E 間隔
F 幅
G エアギャップ
L 負荷
X X方向
Y Y方向
Claims (1)
- 電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次側回路の1次コイルから2次側回路の2次コイルに、エアギャップを存し非接触で対応位置しつつ、電力を供給する非接触給電装置において、
該1次コイルや2次コイルに付設された磁心コアは、フェライトコア,その他の強磁性体よりなり、平板状をなし、中央1枚と両側2枚の3枚1組構造よりなり、
中央磁心コアは、その中央部に、該1次コイルや2次コイルが螺状巻回され、両端部に、それぞれ両側磁心コアの側部が重ねられて摺接されており、
該両側磁心コアは、エアギャップ変動の大小や位置ずれの大小に対応して、該中央磁心コアの中央部に螺状巻回された該1次コイルや2次コイルを、中央に介在させつつ、相互間が両側に離反又は接近すべく直線的にスライド移動可能となっており、
もって、一部が重なり合う該中央磁心コアと両側磁心コアの組合わせにより形成される該磁心コアの全体トータル表面積が、広狭変更可能、そして該1次コイルや2次コイルのインダクタンスが、大小変更可能となっており、
具体的には、該1次コイルと2次コイル間のエアギャップが、接近により設定より小さくなった場合は、インダクタンスが最適値より大となるが、該磁心コアの全体トータル表面積が狭くなるように、該両側磁心コアをスライド移動させることにより、インダクタンスが小となり、インダクタンスの最適値が維持され、
これに対し、該1次コイルと2次コイル間のエアギャップが、離反により設定より大きくなった場合や、位置ずれの場合は、インダクタンスが最適値より小となるが、該磁心コアの全体トータル表面積が広くなるように、該両側磁心コアをスライド移動させることにより、インダクタンスが大となり、インダクタンスの最適値が維持されること、を特徴とする、インダクタンス可変の非接触給電装置。
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