JP5595895B2 - 共鳴コイル及びそれを有する非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、共鳴現象によって相手方コイルに電力を送信し又は相手方コイルから送信された電力を受信する共鳴コイル、及び、その共鳴コイルを有する非接触電力伝送装置に関するものである。

近年、例えば、電気自動車等が備える二次電池（以下、単に「バッテリ」という）の充電などにおいて、充電作業を容易にするために、プラグ接続等の物理的接続を必要としないワイヤレス（非接触）での電力伝送技術が用いられている。

このようなワイヤレス電力伝送技術として、電磁誘導現象を利用した電磁誘導方式、電磁波を利用した電磁波送信方式、共鳴現象を利用した共鳴方式などが知られている。中でも、共鳴方式は、送信共鳴コイルに交流電力を供給して、電磁場を介して送信共鳴コイルと当該送信共鳴コイルに対向配置された受信共鳴コイルとを共鳴させて、電力を伝送する技術であり、数ｋＷの大電力を比較的離れた場所間で伝送することが可能である。

しかしながら、このような共鳴方式のワイヤレス電力伝送技術を、例えば、電気自動車のバッテリ充電システムなどの数ｋＷから数十ｋＷの大電力が伝送されるシステムに適用した場合、図６に示すように、共鳴状態になると共鳴コイルが有する管状に巻回されたコイル導線の端部あるいは端部近傍において高電圧が生じ、当該共鳴コイルを収容するアースされたケースなどとの間で絶縁破壊が起きて火花放電が発生してしまうなどの問題があった。そして、このような問題を解決する技術が、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されている共鳴コイル９０１は、図７に示すように、コイル導線９１０と被覆部材としての絶縁性の樹脂９２０とを備えている。コイル導線９１０は、管状に複数回巻回されている。そして、この絶縁性の樹脂９２０が、コイル導線９１０の長手方向の端部９１０ａに近いほど厚さが増すようにコイル導線９１０に被覆加工されているので、コイル導線９１０の端部９１０ａにおける絶縁耐力を高めて火花放電を防止することができた。また、この共鳴コイル９０１のコイル導線９１０には、コイル導線９１０の巻回部間に一定の導線間ギャップが設けられており、コイル導線９１０の巻回部間での絶縁破壊による火花放電を防いでいた。

また、このような共鳴コイル９０１は、例えば、電気自動車のバッテリの充電システムなどに用いられるので、燃費向上、車内スペース確保、及び、充電エリアの有効利用等のために小型化が求められているが、上述した共鳴コイル９０１は、樹脂９２０が、コイル導線９１０の長手方向の端部９１０ａに近いほど厚さが増すように被覆加工され、且つ、長手方向の中央部には設けられないか、あるいは薄く被覆加工されており、そのため、コイル導線９１０の軸方向中央部における絶縁破壊耐性（絶縁耐力）が低く、巻回部間の導線間ギャップを小さくすることができず、これにより共鳴コイル９０１を小型化することができなかった。そして、このような問題を解決する技術として、コイル導線９１０全体を均一な厚さの被覆部材で覆うことにより、コイル導線９１０の巻回部間の絶縁耐力を向上させて、コイル導線９１０の導線間ギャップを小さくする構成が知られている。

特開２０１０−７３８８５号公報

しかしながら、上述した構成の共鳴コイルにおいて、図６から判るようにコイル導線の各巻回部間に生じる電位差がコイル導線の箇所によって異なるにもかかわらず、コイル導線を覆う被覆部材の厚さが、最も大きい電位差に合わせて均一に定められているので、これより電位差が低い箇所においては、被覆部材が必要以上の厚さとなって過剰な絶縁耐力を有することになり、そのため、小型化に際して無駄が生じて製造コストが増加してしまうという問題があった。

本発明は、上記課題に係る問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、コイル導線間での絶縁破壊のない小型で安価な共鳴コイル及びそれを備える非接触電力伝送装置を提供することを目的としている。

本発明者は、共鳴コイルの小型化と低コストとを両立すべく、共鳴コイルの構成について検討を重ねた結果、コイル導線の各巻回部間には異なる電位差が生じており、この各巻回部間における電位差に応じて適切な厚さの被覆部材を設けることで、小型形状でありながら低コストを実現できることを見出し、本発明の完成に至った。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、共鳴現象によって相手方コイルに電力を送信し又は前記相手方コイルから送信された電力を受信する共鳴コイルであって、複数回巻回されたコイル導線を有し、そして、前記コイル導線には、その一の巻回部と当該一の巻回部に隣接する他の巻回部との間に生じる電位差に応じた厚さの被覆部材が設けられていることを特徴とする共鳴コイルである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記コイル導線が、管状に複数回巻回されており、前記被覆部材における前記コイル導線の軸方向中央部の厚さが、前記被覆部材における前記コイル導線の軸方向両端部の厚さより大きいことを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、上記目的を達成するために、共鳴現象によって電力を送信する送信共鳴コイルと、前記送信共鳴コイルから送信された電力を受信する受信共鳴コイルと、を有する非接触電力伝送装置において、前記送信共鳴コイル及び前記受信共鳴コイルの少なくとも一方が、請求項１又は２に記載された共鳴コイルであることを特徴とする非接触電力伝送装置である。

請求項１に記載された発明によれば、複数回巻回されたコイル導線を有し、そして、前記コイル導線には、その一の巻回部と当該一の巻回部に隣接する他の巻回部との間に生じる電位差に応じた厚さの被覆部材が設けられているので、例えば、コイル導線に設ける被覆部材の厚さを均一にした場合、当該被覆部材の一部が過剰な絶縁耐力を有することになってしまうところ、本発明では、コイル導線の各巻回部間に生じる電位差に合わせた厚さの被覆部材を設けることで、被覆部材を適切な厚さとして過剰な絶縁耐力を有する部分をなくすことができ、コイル導線間の絶縁破壊のない小型で安価な共鳴コイルを提供できる。

請求項２に記載された発明によれば、コイル導線が、管状に複数回巻回されており、被覆部材におけるコイル導線の軸方向中央部の厚さが、軸方向両端部の厚さより大きいので、コイル導線の各巻回部間に生じる電位差が、管状のコイル導線の軸方向中央部で大きく、両端部で小さくなる特性を有する共鳴コイルにおいて、コイル導線間の絶縁破壊のない小型で安価な共鳴コイルを提供できる。

請求項３に記載された発明によれば、送信共鳴コイル及び受信共鳴コイルの少なくとも一方が、請求項１又は２に記載された共鳴コイルであるので、小型で安価な共鳴コイルを用いることにより、小型で安価な非接触電力伝送装置を提供できる。

本発明の共鳴コイルの一実施形態を示す斜視図である。 （ａ）は、図１の共鳴コイルが有するコイル導線を真直に伸ばした状態での長手方向に沿う断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。 本発明の非接触電力伝送装置の一実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の構成を示す説明図である。 図３のワイヤレス電力伝送装置のブロック図である。 共鳴型電力伝送方式の原理を示す説明図である。 コイル導線における、共鳴状態での電圧分布を模式的に示す図である。 従来の共鳴コイルの構成を示す部分拡大断面図である。

（共鳴コイルの一実施形態）
以下、本発明の共鳴コイルの一実施形態について、図１、図２を参照して説明する。

共鳴コイルは、共鳴現象を利用して、対向配置された相手方コイルに電力を送信し又は前記相手方コイルから送信された電力を受信するのに用いられる。

各図に示す本発明に係る共鳴コイル（図中、符号５０で示す）は、コイル導線５１と、被覆部材５３と、を有している。

コイル導線５１は、各図に示すように、例えば、直径５ｍｍの銅線を管状（ソレノイド）に複数回（ｎ回）巻回した、直径Ｄが６００ｍｍ、長さＬが２００ｍｍの空心のらせんコイルである。このコイル導線５１には、複数の円形部分（１ターン）である巻回部５５［１］〜５５［ｎ］が設けられている。コイル導線の一の巻回部５５［ｋ］とそれに隣接する他の巻回部５５［ｋ＋１］（ｋ：１〜ｎ−１）の間（以下、単に巻回部５５間という）には、一定の導線間ギャップＧ（即ち、間隔）が設けられている。なお、「一定の導線間ギャップＧ」とは、各導線間ギャップＧが、それぞれ同一又は概ね同一であることを意味する。

共振状態におけるコイル導線５１の電圧分布を図６に示す。そして、この図６から明らかなように、コイル導線５１における単位距離間の電位差（即ち、グラフの傾き）は、コイル導線５１の長手方向中央部（即ち、グラフの原点）ほど大きく、長手方向両端部に近づくにしたがって小さくなる。つまり、管状に巻回されたコイル導線５１は、箇所によって巻回部５５間の電位差が異なり、具体的には、その軸方向（即ち、長さＬ方向）中央部における巻回部５５間の電位差が、軸方向両端部における巻回部５５間の電位差より大きくなる特性を有している。

被覆部材５３は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）やＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアリキルビニルエーテル共重合体）などの高耐圧の絶縁性を有する合成樹脂で構成されており、コイル導線５１の表面全体を覆うように設けられている。被覆部材５３の絶縁破壊電圧（ＡＣ）は、ＰＩで１５〜２０［ｋＶ／ｍｍ］程度であり、ＰＦＡで１５０［ｋＶ／ｍｍ］程度であり、その一方で、空気の絶縁破壊電圧（ＡＣ）は、３［ｋＶ／ｍｍ］程度であるので、このような被覆部材５３を設けることにより、導線間ギャップＧをより小さくすることができる。

被覆部材５３の構造を、図２（ａ）〜（ｃ）に示す。図２（ａ）は、コイル導線５１を真直に伸ばした状態の長手方向に沿う断面図であり、図２（ｂ）は、コイル導線５１の長手方向中央部、即ち、管状に複数回巻回された状態ではコイル導線５１の軸方向中央部となる部分の断面図であり、図２（ｃ）は、コイル導線の長手方向一端部、即ち、管状に複数回巻回された状態ではコイル導線５１の軸方向両端部となる部分の断面図である。

被覆部材５３は、各巻回部５５間の電位差に応じて、つまり、この電位差が生じた場合でもこれら巻回部５５間で絶縁破壊が起きないようにするために必要な最小限の厚さとなるように形成されている。この被覆部材５３の厚みは、共振状態におけるコイル導線５１の電圧分布に応じて定められる。

つまり、被覆部材５３は、コイル導線５１の上記特性に合わせて、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、その長手方向中央部（即ち、コイル導線５１の軸方向中央部）の厚さが大きく、長手方向両端部（即ち、コイル導線５１の軸方向両端部）に向かうにしたがって、厚さが徐々に小さくなるように形成されている。換言すると、被覆部材５３は、コイル導線５１の軸方向中央部における厚さが、軸方向両端部における厚さより大きくなるように設けられている。

本実施形態においては、被覆部材５３が、コイル導線５１の軸方向中央部の厚さが、軸方向両端部の厚さより大きくなるように形成されている。その一方で、他の構成の場合、例えば、被覆部材５３の厚さをコイル導線５１の全長に亘って均一にした場合、その厚さは、コイル導線５１の軸方向中央部における巻回部５５間の電位差、即ち、最も大きい電位差に合わせて定められるので、コイル導線５１の軸方向両端部においては、被覆部材５３の厚さが過剰となって、無駄が生じてしまう。

そして、本実施形態によれば、被覆部材５３について、巻回部５５間の電位差が比較的低いコイル導線５１の軸方向両端部では、その厚さを小さくし、巻回部５５間の電位差が比較的高いコイル導線５１の軸方向中央部では、その厚さを大きくすることにより、巻回部５５間の電位差に応じた厚さを有する被覆部材５３を設けて、小型化と低コストとを両立している。

以上より、本発明によれば、複数回巻回され且つ各巻回部５５間に一定の導線間ギャップＧが設けられたコイル導線５１を有し、そして、コイル導線５１には、その一の巻回部５５［ｋ］とそれに隣接する他の巻回部５５［ｋ＋１］との間に生じる電位差に応じた厚さの被覆部材５３が設けられているので、例えば、コイル導線５１に設ける被覆部材５３の厚さを均一にした場合、当該被覆部材５３の一部が過剰な絶縁耐力を有することになってしまうところ、本発明では、コイル導線５１の各巻回部５５間に生じる電位差に合わせた厚さの被覆部材５３を設けることで、被覆部材５３を適切な厚さとして過剰な絶縁耐力を有する部分をなくすことができ、コイル導線５１間の絶縁破壊のない小型で安価な共鳴コイルを実現できる。

また、コイル導線５１が、管状に複数回巻回されており、被覆部材５３におけるコイル導線５１の軸方向中央部の厚さが、軸方向両端部の厚さより大きいので、コイル導線５１の各巻回部５５間に生じる電位差が、管状のコイル導線５１の軸方向中央部で大きく、両端部で小さくなる特性を有する共鳴コイルにおいて、コイル導線５１間の絶縁破壊のない小型で安価な共鳴コイルを実現できる。

本実施形態では、被覆部材５３におけるコイル導線５１の軸方向中央部の厚さが、軸方向両端部の厚さより大きくなるように形成されたものであったが、これに限定されるものではなく、本発明の目的に反しない限り、コイル導線５１の一の巻回部５５［ｋ］とそれに隣接する他の巻回部５５［ｋ＋１］との間に生じる電位差に応じた厚さの被覆部材５３が設けられているものであればよい。

また、本実施形態では、コイル導線５１の各巻回部５５間に一定の導線間ギャップＧが設けられているものであったが、これに限定されるものではない。例えば、巻回部５５間の電位差に合わせて、被覆部材５３の厚さとともに導線間ギャップＧを調整するなど、各導線間ギャップＧが互いに異なる構成などであってもよい。

また、本実施形態のコイル導線５１は、管状に複数回巻回されたものであったが、これに限定されるものではなく、例えば、コイル導線５１が平板状に複数回巻回されている平型らせんコイルなどであってもよく、本発明の目的に反しない限り、コイル導線５１の形状は任意である。

（非接触電力伝送装置の一実施形態）
次に、上述した共鳴コイルを備えた、本発明の非接触電力伝送装置の一実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置ついて、図３〜図５を参照して説明する。

図３は、本発明の実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の構成を示す説明図である。同図に示すように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置１０は、電気自動車５に設けられる受電装置１２と、該受電装置１２に交流電力を供給する給電装置１１と、を備えており、給電装置１１より出力される交流電力を非接触（ワイヤレス）で受電装置１２に送信する。給電装置１１は、電力送信用の通信コイル２４を備えており、該通信コイル２４に交流電力が供給されると、この交流電力は、受電装置１２に設けられている電力受信用の通信コイル３１に伝達される。

電気自動車５に設けられる受電装置１２は、充電時に電気自動車５を給電装置１１の所定位置に置いたときに、電力送信用の通信コイル２４と接近する電力受信用の通信コイル３１と、整流器３３と、を備えている。更に、直流電力が充電されるバッテリ３５と、該バッテリ３５の電圧を降圧してサブバッテリ４１に供給するＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、バッテリ３５の出力電力を交流電力に変換するインバータ４３と、該インバータ４３より出力される交流電力により駆動するモータ４４を備えている。

図４は、本発明の実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置１０のブロック図であり、給電装置１１、及び電気自動車５に搭載される受電装置１２を備えている。

給電装置１１は、電力伝送用のキャリア信号を出力するキャリア発振器２１と、該キャリア発振器２１より出力されるキャリア信号（即ち、交流電力）を増幅する電力増幅器２３、及び電力増幅器２３で増幅された交流電力を出力する通信コイル２４を備えている。通信コイル２４は、後述するように給電コイル（一次コイル）Ｌ１と送信共鳴コイルＸ１から構成されている。そして、この送信共鳴コイルＸ１として、上述した共鳴コイル５０を用いている。

キャリア発振器２１は、電力伝送用の交流信号として例えば周波数１〜１００［ＭＨｚ］の交流電力を出力する。

電力増幅器２３は、キャリア発信器２１より出力された交流電力を増幅する。そして、増幅した交流電力を通信コイル２４に出力する。通信コイル２４は、受電装置１２に設けられる通信コイル３１と連携し、共鳴型電力伝送方式によりワイヤレスで交流電力を通信コイル３１に伝送する。共鳴型電力伝送方式（即ち、共鳴方式）については後述する。

また、受電装置１２は、電力送信用の通信コイル２４より送信される交流電力を受信する電力受信用の通信コイル３１と、この通信コイル３１で受信された交流電力を整流して、直流電圧を生成する整流器３３と、を備える。また、車両駆動用のモータ４４（図３参照）に電力を供給するバッテリ３５を備え、該バッテリ３５は、整流器３３より出力される直流電力により充電される。

通信コイル３１は、後述するように受電コイル（一次コイル）Ｌ２と受信共鳴コイルＸ２から構成されている。そして、この受信共鳴コイルＸ２として、上述した共鳴コイル５０を用いている。

次に、共鳴型電力伝送方式について説明する。図５は、共鳴型電力伝送方式の原理を示す説明図である。図示のように、給電装置１１には、給電コイルＬ１、及び該給電コイルＬ１と同心円状に且つ近接して配置された送信共鳴コイルＸ１（即ち、共鳴コイル５０）が設けられている。なお、給電コイルＬ１と送信共鳴コイルＸ１により図３、図４に示す通信コイル２４が構成される。また、受電装置１２には、受電コイルＬ２、及び該受電コイルＬ２と同心円状に且つ近接して配置された受信共鳴コイルＸ２（即ち、共鳴コイル５０）が設けられている。なお、受電コイルＬ２と受信共鳴コイルＸ２により図３、図４に示す通信コイル３１が構成される。

そして、給電コイルＬ１に１次電流を流すと、電磁誘導により送信共鳴コイルＸ１に誘導電流が流れ、更に、該送信共鳴コイルＸ１のインダクタンスＬｓ、及び浮遊容量Ｃｓにより、該送信共鳴コイルＸ１が共鳴周波数ωｓ（＝１／√Ｌｓ・Ｃｓ）で共鳴する。すると、この送信共鳴コイルＸ１に近接して設けられた、受電装置１２側の受信共鳴コイルＸ２が共鳴周波数ωｓで共鳴し、受信共鳴コイルＸ２に２次電流が流れる。更に、電磁誘導により受信共鳴コイルＸ２に近接した受電コイルＬ２に２次電流が流れる。

上記の動作により、給電装置１１から受電装置１２に、ワイヤレスで電力を送信することができることとなる。

次に、図３、図４に示した本発明のワイヤレス電力伝送装置の動作について説明する。図３に示すように、電気自動車５が給電装置１１の所定位置に置かれ、給電装置１１に設けられる通信コイル２４と、電気自動車５の受電装置１２に設けられる通信コイル３１が対向する位置となると、バッテリ３５への充電を行うことができる。

充電が開始されると、図４に示すキャリア発振器２１より、周波数１〜１００［ＭＨｚ］程度の交流電力が出力される。

そして、キャリア発信器２１より出力された交流電力は、電力増幅器２３にて増幅される。増幅された交流電力は、通信コイル２４，３１を介して、前述した共鳴型電力伝送の原理により、受電装置１２に伝送されることになる。

受電装置１２に伝送された交流電力は、通信コイル３１から整流器３３に出力される。

そして、整流器３３では、交流電力を整流して所定電圧の直流電力に変換し、この電力をバッテリ３５に供給して、該バッテリ３５を充電する。これにより、バッテリ３５を充電することができる。

以上より、本発明によれば、送信共鳴コイルＸ１及び受信共鳴コイルＸ２として、上述した共鳴コイル５０を用いているので、この共鳴コイル５０は、複数回巻回され且つ各巻回部５５間に一定の導線間ギャップＧが設けられたコイル導線５１を有し、そして、コイル導線５１には、その一の巻回部５５［ｋ］とそれに隣接する他の巻回部５５［ｋ＋１］との間に生じる電位差に応じた厚さの被覆部材５３が設けられているので、被覆部材５３を適切な厚さとして過剰な絶縁耐力を有する部分をなくすことができ、送信共鳴コイルＸ１及び受信共鳴コイルＸ２を低コストで小型化でき、したがって、小型で安価な非接触電力伝送装置を提供できる。

本実施形態においては、送信共鳴コイルＸ１及び受信共鳴コイルＸ２の両方とも上述した共鳴コイル５０を用いていたが、これに限定されるものではなく、送信共鳴コイルＸ１及び受信共鳴コイルＸ２のうち少なくとも一方に共鳴コイル５０を用いるものであればよい。

なお、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。

５ 電気自動車
１０ ワイヤレス電力伝送装置（非接触電力伝送装置）
５０ 共鳴コイル
５１ コイル導線
５３ 被覆部材
５５ 巻回部
Ｇ 導線間ギャップＧ（巻回部間の間隔）
Ｘ１ 送信共鳴コイル（共鳴コイル）
Ｘ２ 受信共鳴コイル（共鳴コイル）

Claims (3)

1. 共鳴現象によって相手方コイルに電力を送信し又は前記相手方コイルから送信された電力を受信する共鳴コイルであって、
   複数回巻回されたコイル導線を有し、そして、
   前記コイル導線には、その一の巻回部と当該一の巻回部に隣接する他の巻回部との間に生じる電位差に応じた厚さの被覆部材が設けられている
   ことを特徴とする共鳴コイル。
2. 前記コイル導線が、管状に複数回巻回されており、
   前記被覆部材における前記コイル導線の軸方向中央部の厚さが、前記被覆部材における前記コイル導線の軸方向両端部の厚さより大きいことを特徴とする請求項１に記載の共鳴コイル。
3. 共鳴現象によって電力を送信する送信共鳴コイルと、前記送信共鳴コイルから送信された電力を受信する受信共鳴コイルと、を有する非接触電力伝送装置において、
   前記送信共鳴コイル及び前記受信共鳴コイルの少なくとも一方が、請求項１又は２に記載された共鳴コイルである
   ことを特徴とする非接触電力伝送装置。

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