JP5923916B2

JP5923916B2 - 非接触給電装置

Info

Publication number: JP5923916B2
Application number: JP2011219417A
Authority: JP
Inventors: 有二成瀬; 花村　昭宏; 昭宏花村; 皆川　裕介; 裕介皆川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: JP2013080785A

Description

本発明は、非接触給電装置に関するものである。

送電コイルを有する充電器と、受電コイルを有する本体機器とを具備し、両コイル間の電磁誘導により非接触で電力を伝送する非接触電力伝送機器の本体機器側において、受電コイルとして、巻線部を薄型の平面状に形成した平面コイルを備えるとともに、該平面コイルの少なくとも一面側において巻線部の全てに接触する熱伝導層を備える非接触電力伝送機器が知られている（特許文献１）。

特開２００９−４５１３号公報

上記従来の構造ではコイルの上面全体に塊状の熱伝導層を設けているが、コイルに磁束が流れることによってコイルとコイル上面全体に設けた熱伝導層との間で渦電流が発生し、これにより発熱量が増加するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、コイルの発熱を抑制できる非接触給電装置を提供することである。

本発明は、コイルをその巻回方向で見たときに巻回されたコイル間に跨って配置され、跨って配置された延在方向の長さが跨っていない方向の長さよりも長い非磁性金属熱伝導体を設けることによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、跨って配置された延在方向の長さが跨っていない方向の長さよりも長い金属熱伝導体をコイル間に跨るように設けると、当該金属熱伝導体は磁束の直交方向に対して縦横比が大きいため、発生する渦電流が小さくなる。これにより、コイルの発熱を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る非接触給電装置を示す要部断面図である。図１の受電コイルのうちコイル及び金属熱伝導体を示す平面図である。本発明の他の実施の形態に係る非接触給電装置の受電コイルを示す断面図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る非接触給電装置の受電コイルを示す平面図である。図４のＯ−Ａ線に沿う断面図である。図４のＯ−Ｂ線に沿う断面図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る非接触給電装置の受電コイルのうちコイル及び金属熱伝導体を示す平面図である。図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。本発明に係る非接触給電装置のコイルの抵抗−周波数特性及びインダクタンス−周波数特性を示すグラフである。本発明の比較例に係る非接触給電装置のコイルの抵抗−周波数特性及びインダクタンス−周波数特性を示すグラフである。コイル付近の温度を見積もるためのモデルを示す図である。金属熱伝導体に発生するジュール熱を見積もるためのモデルを示す図である。金属熱伝導体の厚さとコイル近傍温度及び発熱量の関係を示すグラフである。

図１は本発明の一実施の形態を適用した非接触給電装置であり、所定のギャップ空間３０を介して位置する受電コイル１０と送電コイル２０とを備え、給電スタンドなどに設置される送電装置４０から、車両などに搭載されるバッテリ５０などの負荷に非接触で電力を供給し、充電するシステムなどに適用することができる。

受電コイル１０は、銅などの導体からなるコイル１１を備える。本例のコイル１１は、少なくともｘｙ平面上に巻回された偏平状コイルであり、図２に示すようにｘｙ平面上に１重（１段）で巻回されたもののほか、ｚ軸方向に複数重（複数段）巻回されたものも含まれる。また本例のコイル１１は、図２に示すように平面視において渦巻状に巻回されたもののほか、平面視において楕円形状に巻回されたもの、正方形や長方形などの矩形状に巻回されたもの、或いは８の字形状に交差して巻回されたものも含まれる。本例のコイル１１は、互いに短絡しないように導体の表面が絶縁被覆され、その両端はそれぞれバッテリ５０の入力端子に接続されている。

さらに図２に、平面視において渦巻状に３回転だけ巻回した本例のコイル１１を示す。内側の端部のポイントＰ１から反時計回りにポイントＰ２までが１回転目、このポイントＰ２から反時計回りにポイントＰ３までが２回転目、ポイントＰ３から反時計回りに外側の端部のポイントＰ４までが３回転目となる。ただし、巻回数は図示するものに限定されず、給電使用に応じて適宜設定することができる。

図１に戻り、コイル１１の背面には、絶縁部１３を介して、送電コイル２０からの磁界を調整する磁性コア１４がコイル１１の全面にわたって設けられている。さらに磁性コア１４の背面には、受電コイル１０および送電コイル２０からの磁界が受電コイル１０の背面側に及ぶのを抑制する磁気遮蔽板１５が設けられている。なお、受電コイル１０の全体を保護するために、当該受電コイル１０の全体を覆うカバー１６が設けられているが、後述する金属熱伝導体１２の一部はカバー１６からギャップ空間３０へ露出している。この点については後述する。

本例の受電コイル１０のコイル１１の間（コイル線の間）には、金属熱伝導体１２が設けられている。本例の金属熱伝導体１２には、アルミニウムなどの熱伝導率が高い金属を用いることができる。金属熱伝導体１２とコイル１１との間、および隣接する金属熱伝導体１２同士を絶縁するため、金属熱伝導体１２の表面は絶縁被覆されている。

本例の金属熱伝導体１２は、コイル１１をその巻回方向で見た場合に、巻回されたコイル１１の間に跨って配置されて、好ましくはコイル１１と直交する方向に配置されている。ここでコイル１１の間に跨って配置されるとは、図２のコイル１１の平面視において金属熱伝導体１２の両端が少なくとも巻回されて隣接する２つのコイル１１のそれぞれに熱的に接していることを意味する。換言すれば、電磁誘導作用によりコイル１１に生じた熱が金属熱伝導体１２に伝わり、ここから受電コイル１０の外部へ放熱させる機能を司ることができる意味である。

金属熱伝導体１２は、図２に示すようにコイル１１の巻回方向に沿って任意の間隔で配置することができるほか、コイル１１の巻回方向に沿って連続して積層するように配置してもよい。金属熱伝導体１１を連続して積層するように配置する場合には、隣接する金属熱伝導体１１は互いに絶縁する。

金属熱伝導体１２は、２つのコイルの間に跨って配置された延在方向の長さが、跨っていない方向の長さよりも長く形成されている。つまり、図１のｘｙｚ座標でいうと、跨って配置された延在方向がｙ軸方向に相当し、跨っていない方向がｘ軸方向（コイル１１の巻回方向に沿う方向）に相当し、したがってｙ軸方向の長さがｘ軸方向の長さよりも長く形成されている。なお、ｚ軸方向の長さはコイル１１の厚さに、後述するカバー２６からの露出分を加えた長さとされている。このような条件を満たす金属熱伝導体１１の形状例として、コイル１１の巻回方向に薄い薄板を挙げることができる。

金属熱伝導体１２は、図１に示すようにその下面がギャップ空間３０に向かってカバー１６から露出するように設けられている。この露出した部分から金属熱伝導体１２に伝わったコイル１１からの熱をギャップ空間３０へ放熱することができる。

本例の金属熱伝導体１２は、コイル１１間を跨ぐ方向（ｙ軸方向）に長く、コイル１１の巻回方向（図１のｘ軸方向）に薄い薄板状の金属で構成され、換言すれば磁束直交方向に対して縦横比が大きく互いに絶縁されているため、発生する渦電流が小さく、近接効果によるコイル１１の抵抗、薄板である金属熱伝導体１２自体の発熱等、電磁気的な影響は少ない。また、高熱伝導率の金属熱伝導体１２をコイル１１に接触して配置できるため、樹脂を充填した場合に比べてコイルからの放熱性が高い。例えば、アルミの熱伝導率は約２００Ｗ／（ｍＫ）に対し、高熱伝導樹脂は、１〜２Ｗ／（ｍＫ）であり、アルミニウムの薄板である金属熱伝導体１２を用いることで大幅な熱伝導率の向上が期待できる。

図８に、本例に係るコイル１１間に積層状のアルミニウム製金属熱伝導体１２を配置した場合の抵抗およびインダクタンスの測定結果を示す。図中、◆はコイル１１間にアルミニウム製金属熱伝導体１２を配置しない場合の抵抗−周波数特性及びインダクタンス−周波数特性を示し、□はコイル１１間にアルミニウム製金属熱伝導体１２を配置した場合の抵抗−周波数特性及びインダクタンス−周波数特性を示す。積層状のアルミニウム製金属熱伝導体１２の有無による抵抗及びインダクタンスの変化は見られない。

一方、図９の上図に示すようにコイル１１間にアルミニウム製金属熱伝導体を配置した場合には、同図の下左右図に示すように、コイル１１の抵抗が増加し、またインダクタンスの低下が観察された。これはアルミニウム製金属熱伝導体１２´の上下面及び側面を通過する磁束によりアルミニウム製金属熱伝導体１２´に渦電流が発生し、近接効果と磁束遮蔽効果が引き起こされたためと考えられる。このため、アルミニウムなどの金属熱伝導体をコイル１１の近傍に配置する場合には、このような渦電流が発生しない配置が必要になる。

次に金属熱伝導体１２の最適化される形状について検討する。熱伝導率を高めるためには、金属熱伝導体１２のコイル１１に接する部分の厚みを大きくすることが有効であるが、一方において、金属熱伝導体１２の渦電流を抑えるには、厚みを周波数に応じて薄くして互いに絶縁する必要がある。まず、図１０に示すように、コイル１１の付近の温度Ｔ_２は、熱抵抗１／ＫＡ、単位長さあたり定常発熱量Ｑ、周囲温度Ｔ_１として、

で表される。ここで、熱抵抗は、金属熱伝導体１２の厚さと単位長さ当たりの層数による等価熱伝導率を用いる。金属熱伝導体１２の厚み（アルミニウムと樹脂との混合率）を上げることにより、コイル付近の温度を低減できる。

一方、図１１に示すように、金属熱伝導体１２は縦ａＸ，横Ｘ，高さＬの平板とされ、これに垂直にＢ_０ｓｉｎωｔの磁束が鎖交している場合に金属熱伝導体１２の平板に発生するジュール熱を見積もる。縦ａｘ，横ｘの領域を鎖交する磁束φ（ｔ，ｘ）は、鎖交磁束密度Ｂ_０，角周波数ω，金属熱伝導体１２の導電率σ，金属熱伝導体１２の透磁率μとして、

発生する起電圧Ｖ（ｔ，ｘ）と実効値Ｖ_ｅｆｆは、それぞれ下記のようになる。

幅ｄｘ，ａｄｘの周回経路に上記起電圧による電流が発生しているとすると、その部分の抵抗ｄｒ（ｘ）は、

となり、金属熱伝導体１２に発生するジュール熱は、上記電流によるジュール熱を平板領域で積分（０〜ｘ〜Ｘ）することにより、下記のようになる。

ここで、周波数が十分高い場合には、電流の発生する厚さＬは、表皮厚で代表される。

以上のことから、結局、1枚の平板で発生するジュール熱は以下のように見積もれる。

金属熱伝導体１２である薄板間の絶縁層の厚さを０．１ｍｍとし、アルミニウムと樹脂との混合率を薄板厚さに応じて変化させて、（例えば混合率５０％であれば、薄板厚さも絶縁層と同じ０．１ｍｍとする）、ジュール熱と合わせてプロットすると、図１２のようになる。例えば、金属熱伝導体１２のジュール熱の総和を定常出力Ｐの１／ｋとなるように a の値を決めると、（ｎは薄板の層数）

より、

ただし、

上記数９式を満たすａで最大のものを選ぶことで、熱性能と電磁気性能を両立させることができる。

図１に戻り、送電コイル２０についても上述した受電コイル１０と同じ構造とされている。受電コイル１０のコイル１１、金属熱伝導体１２、絶縁部１３、磁性コア１４、磁気遮蔽板１５及びカバー１６にそれぞれ対応する部材として、送電コイル２０は、コイル２１、金属熱伝導体２２、絶縁部２３、磁性コア２４、磁気遮蔽板２５及びカバー２６を備える。なお、本発明の金属熱伝導体１２，２２は少なくとも受電コイル１０又は送電コイル２０の一方に設ければよい。

以上のように、本例の非接触給電装置１によれば、金属熱伝導体１２は、コイル１１間を跨ぐ方向（ｙ軸方向）に長く、コイル１１の巻回方向（図１のｘ軸方向）に薄い薄板状の金属で構成され、換言すれば磁束直交方向に対して縦横比が大きく互いに絶縁されているため、発生する渦電流が小さく、近接効果によるコイル１１の抵抗、薄板である金属熱伝導体１２自体の発熱等、電磁気的な影響は少ない。

また、上記数９式を満たすａで最大のものを選ぶことで、熱性能と電磁気性能を両立させることができる。

さらに、金属熱伝導体１２の一部が、コイル１１のギャップ空間３０側に露出していることにより、ギャップ空間３０の外気との自然対流による熱交換あるいはファン等による強制空冷により効果的にコイル１１の抜熱が可能となる。

図３は、本発明の他の実施の形態に係る受電コイル１０を示す断面図であり、本例ではギャップ空間３０に露出した金属熱伝導体１２の一部が連結部１２ａにて連結されている。こうすることで、金属熱伝導体１２をコイル１１の上面及び両側面で接触できるため、コイル１１の熱抵抗を低減し、放熱効果を増すことができる。また、金属熱伝導体１２によってコイル１１の位置決めをすることができる。さらに、非接触給電装置１に力が加わった場合にコイル１１を保護することができる。すなわち、一般にコイル１１の抵抗値は周波数とともに増大するが、その値はコイル１１の巻き方（並列のコイルの撚り方等）や配置（コイル間のクリアランス）によっても影響される。所定の巻き方でコイル１１を巻いた後、外部から力がかかった場合にも位置が変わらないよう、従来例では樹脂で固めるなどしているが、本例によれば従来に比べて大きな放熱効果が期待できる。

図４は、本発明のさらに他の実施の形態に係る受電コイル１０を示す平面図、図５Ａは図４のＯ−Ａ線に沿う断面図、図５Ｂは図４のＯ−Ｂ線に沿う断面図である。本例では、２本のコイル１１を並列で用いた場合であり、共振の鋭さを示すＱ値を増加させるためにコイル１１を撚って配置した場合である。この場合において、周方向のコイル１１の電線間のクリアランスは角度とともに変化するため、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、そのクリアランスにあわせて金属熱導電体１２のコイル１１に直交する辺の長さＷ_Ａ，Ｗ_Ｂを変えている。このように、コイル１１の電線に接するような形状の金属熱導電体１２を配置ことが放熱上有効となる。

図６は、本発明のさらに他の実施の形態に係る受電コイル１０を示す平面図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。本例では、ギャップ空間３０に露出した複数の金属熱伝導体１２の一面に、これらを連結し、コイル１１の巻回方向に延在する他の金属熱伝導体１７が配置されている。この他の金属熱伝導体１７を設けることで、金属熱伝導体１２の放熱面積を大きくすることができ、放熱効果を高めることができる。また、コイル１１から離れたギャップ空間３０に平板状の金属熱伝導体１７を配置することにより、近接効果によるコイル抵抗の上昇を抑えることができる。

上記受電コイル１０又は送電コイル２０は本発明に係るコイルに相当する。

１…非接触給電装置
１０…受電コイル
１１…コイル
１２…金属熱伝導体
１２ａ…連結部
１３…絶縁部
１４…磁性コア
１５…磁気遮蔽板
１６…カバー
１７…他の金属熱伝導体
２０…送電コイル
２１…コイル
２２…金属熱伝導体
２３…絶縁部
２４…磁性コア
２５…磁気遮蔽板
２６…カバー
３０…ギャップ空間

Claims

少なくとも一方のコイルが巻回して構成された一対のコイル間を非接触で給電する非接触給電装置において、
前記巻回して構成されたコイルをその巻回方向で見たときに、巻回されたコイルの間に跨って配置され、跨って配置された延在方向の長さが跨っていない方向の長さよりも長く形成された非磁性金属熱伝導体を備える非接触給電装置。
前記金属熱伝導体は、
薄板状に形成され、
前記跨って配置されたコイルと絶縁され、
前記跨って配置されたコイルに直交して配置されている請求項１に記載の非接触給電装置。
前記コイルに直交して配置された金属熱伝導体は、前記コイルの間隔に応じて前記コイルに接して設けられている請求項２に記載の非接触給電装置。
前記金属熱伝導体の一部が、前記一対のコイル間のギャップ空間に露出している請求項１〜３のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
前記ギャップ空間に露出した金属熱伝導体の一部が連結されている請求項４に記載の非接触給電装置。
前記ギャップ空間に露出した複数の金属熱伝導体の一面に、これらを連結し、前記コイルの巻回方向に延在する他の金属熱伝導体が配置されている請求項４又は５に記載の非接触給電装置。
前記薄板状の金属熱伝導体は、
金属熱伝導体の導電率をσ，金属熱伝導体の長辺の長さをＸ，金属熱伝導体の透磁率をμ，金属熱伝導体の積層数をｎ，給電電力の角周波数をω，鎖交磁束密度をＢ_０，金属熱伝導体の板厚／長辺の長さ比をａとしたときに、
ａ^３−Ｋａ^２−Ｋ＜０
ただし、Ｋ＝｛１６Ｐ・√（σωμ／２）｝／ｎｋσ^２Ｂ_０ ^２Ｘ^４
を満たす請求項２〜６のいずれか一項に記載の非接触給電装置。