JP6035155B2 - 非接触給電トランスのコイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電する非接触給電トランスのコイル装置に関し、放熱特性を改善し、給電時の温度上昇の解消を図るものである。

従来から、電気自動車やプラグインハイブリッド車のバッテリーを充電するシステムとして、図１２に示すように、車両の床面に搭載された非接触給電トランスの二次側コイル（受電コイル）１０２と、地上側に設置された一次側コイル（送電コイル）２０２とを対向させ、地上側から車両側に非接触で給電する方式が開発されている。
下記特許文献１には、この充電システムの一次側コイル及び二次側コイル間の位置ずれやギャップ変動の許容量を拡大し、且つ、コイルの小型化を図るために、図１３に示すように、板状のフェライトコア１０の周りにコイル１１を巻回した“両側巻コイル”を用いることが記載されている。この両側巻コイルでは、フェライトコア１０内を通過する主磁束がコア両端の磁極部を通じて出入する。

また、下記特許文献２には、両側巻コイルの一層の小型軽量化を図るため、図１４に示すように、Ｈ字形のフェライトコアを備えるコイルを用いることが記載されている。このコイルでは、Ｈ字形コアの横棒に相当する部分に巻線１１が巻回され、Ｈ字形コアの両側の平行する部分１２が磁極部となる。
実際の充電システムに用いる一次側コイル装置及び二次側コイル装置は、図１５に示すように、外周にガイド溝が形成された絶縁物から成る中空コイルボビン１４を有しており、この中空コイルボビン１４のガイド溝に沿って巻線が巻回され、中空コイルボビン１４の中空部内に挿通されたコア部材の両端が、磁極部を成すフェライト部材に接触するように構成されている（下記特許文献３）。

特開２０１０−１７２０８４号公報 特開２０１１−５０１２７号公報 特開２０１２−１５１３１１号公報

両側巻コイルは、小型化できるが、それに伴って熱容量が小さくなるため、コア部分の鉄損や巻線の銅損により温度が上昇し易い。大電力給電が可能な両側巻コイルを得るためには、放熱対策が不可欠である。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、優れた放熱特性を有し、給電時の温度上昇を抑えることができる非接触給電トランスのコイル装置を提供することを目的としている。

本発明は、非接触給電トランスの一次側コイルまたは二次側コイルを構成するコイル装置であって、中心にコイルのコアが挿通される挿通孔を有し、外周に巻線が巻回される角型形状のコイルボビンを備え、このコイルボビンは、アルミニウムまたは銅製の複数の分割部材から成り、分割部材を組み合わせて角型形状が維持されており、角型形状のコイルボビンは、相手側コイルに対向する側の反対側に配置されたアルミニウムベース板に一部が接触し、角型形状のコイルボビンのアルミニウムベース板に接触する部分を除く外周面、及び、分割部材の相互に接触する接触面が絶縁塗料で被覆され、挿通孔に挿通されたコアとコイルボビンとの間、及び、アルミニウムベース板とコイルボビンとの間では絶縁塗料を介さずに接触していることを特徴とする。
このコイル装置では、コア部分の鉄損や巻線の銅損によって発生した熱が、熱伝導率の高い金属で形成されたコイルボビン及びアルミニウムベース板を通じて効率的に外部に排出される。また、コイルボビンは、複数の分割部材に分割され、分割部材の間が絶縁されているため、コイルボビンがコアからの漏れ磁束を遮っても、渦電流による損失の増加は抑えられる。

また、本発明のコイル装置では、角型形状のコイルボビンの外周に巻線のガイド溝を形成し、コイルボビンのガイド溝の形成されていない部分、及び、隣接するガイド溝の間の部分がアルミニウムベース板に接触するように構成している。
そのため、コイルボビンに伝わる熱は、アルミニウムベース板を通じて効率的に外部に排出される。

また、本発明のコイル装置では、分割部材が、角型形状のコイルボビンを挿通孔の長手方向と直交する方向、及び、長手方向と平行する方向に分割して得られる部材から成る。
このように、コイルボビンを多数の分割部材に分割することで、渦電流による損失を抑えることができる。

また、本発明のコイル装置では、角型形状のコイルボビンが収納される筐体が、相手側コイルに対向する側の面を覆い、反対側の面が開口した樹脂カバーと、樹脂カバーの開口を塞ぐアルミニウムベース板とで構成され、筐体に収納された角型形状のコイルボビンが筐体のアルミニウムベース板に接触する。
そのため、コア部分の鉄損や巻線の銅損によって発生した熱は、筐体の裏面のアルミニウムベース板から効率的に外部に排出される。

本発明の非接触給電トランスのコイル装置は、優れた放熱特性を有し、給電時の温度上昇を効果的に抑えることができる。

本発明の実施形態に係る一次側コイルのコイルボビンを示す図（表側から見た図） 図１のコイルボビンの分割部材を示す図 図１のコイルボビンを裏側から見た図 本発明の実施形態に係る二次側コイルのコイルボビンを示す図（表側から見た図） 図４のコイルボビンを裏側から見た図 図４のコイルボビンの分割部材を示す図 図１のコイルボビンをＡｌベース板上に設置した状態を示す図 図４のコイルボビンをＡｌベース板上に設置した状態を示す図 図１のコイルボビンを収容した筐体の上面図 図９の筐体の側部断面図 図９の筐体の斜視図 自動車への非接触給電システムを示す図 両側巻コイルを示す図 Ｈ字形状のコアを有する両側巻コイルを示す図 従来のコイルボビンを示す図

図１１は、本発明のコイル装置が収容される筐体を示している。一次側コイルを収容する筐体と二次側コイルを収容する筐体とは略同じ形状である。
図１１（ａ）は、相手側コイルと対向する側（以下、表側と言う。）から筐体を見た図であり、図１１（ｂ）は、反対側（以下、裏側と言う。）から筐体を見た図である。筐体の表側は、樹脂カバー２１で覆われ、樹脂カバー２１の裏側の開口がアルミニウム（Ａｌ）ベース板２２で塞がれている。Ａｌベース板２２には、コイル端部の電線を導出するための導出口２３が設けられている。
筐体の樹脂カバー２１は、相手側コイルとの間に流れる主磁束の通過を妨げないために樹脂で形成されている。また、Ａｌベース板２２は、収容したコイルからの漏れ磁束の通過を防ぐとともに、放熱特性を改善するために、熱伝導性の高い金属が用いられている。

図１は、表側から見た一次側コイルの角型コイルボビン３０を示している。この角型コイルボビン３０は、Ａｌから成り、図２に示すＡｌ製の分割部材３１を８個組み合わせて構成されている。分割部材３１は、角型コイルボビン３０を長手方向に２分割し、短手方向に２分割し、さらに、厚さ方向に２分割して得られた部材に相当している。
この角型コイルボビン３０は、コイルのコアを挿通する挿通孔３２が二口に分かれており、それぞれの挿通孔３２にフェライトコアが挿入される。挿入されたフェライトコアの両端は、挿通孔３２から突出して、磁極部を構成するフェライト部材に接触する。
また、この角型コイルボビン３０の外周には、巻線のガイド溝３３が形成されている。

図３は、裏側から見た一次側コイルの角型コイルボビン３０を示している。
この角型コイルボビン３０の外周、及び、分割部材３１相互の接合面は、絶縁塗料で被覆される。
ただし、挿通孔３２の内部と、図３に示すように、筐体のＡｌベース板２２に接触する裏側部分、即ち、ガイド溝３３が形成されていない接触部分３４、及び、隣接するガイド溝３３の間の起立部分３５には、絶縁塗料を設けない。

分割部材３１を相互に絶縁するのは、Ａｌ製のコイルボビンがコアからの漏れ磁束を遮っても、コイルボビンに渦電流が生じないようにするためであり、こうすることで渦電流による損失の増加が抑えられる。
また、挿通孔３２の内部を絶縁塗料で被覆しないのは、フェライトコアで発生する鉄損による熱をＡｌ製のコイルボビンに効率的に伝達させるためであり、また、筐体のＡｌベース板２２に接触するコイルボビンの接触面を絶縁塗料で被覆しないのは、フェライトコアの熱や巻線の銅損による熱がコイルボビンに伝達した後、Ａｌベース板２２を通じて外部に効率的に逃げるようにするためである。

図４は、表側から見た二次側コイルの角型コイルボビン４０を示し、図５は、裏側から見た二次側コイルの角型コイルボビン４０を示している。二次側コイルの角型コイルボビン４０は、一次側コイルの角型コイルボビン３０と同様に、図６に示すＡｌ製の分割部材４１を８個組み合わせて構成されている。分割部材４１は、角型コイルボビン４０を長手方向に２分割し、短手方向に２分割し、さらに、厚さ方向に２分割して得られた部材に相当している。
また、この角型コイルボビン４０は、一次側コイルの角型コイルボビン３０と同様に、筐体のＡｌベース板２２に接触する裏側部分を除く外周が絶縁塗料で被覆され、また、分割部材４１相互の接合面が絶縁塗料で被覆される。この角型コイルボビン４０では、図５に示す裏側の接触部分４２がＡｌベース板２２に接触する。

図７は、筐体のＡｌベース板２２上に、磁極部を形成するフェライト部材５１と、一次側コイルの角型コイルボビン３０とが設置された状態を示し、図８は、筐体のＡｌベース板２２上に、磁極部を形成するフェライト部材５２と、二次側コイルの角型コイルボビン４０とが設置された状態を示している。
また、図９は、一次側コイルの角型コイルボビン３０や磁極部を形成するフェライト部材５１が収容された筐体の上面断面図を示し、図１０は、その側面断面図を示している。

図１０に示すように、角型コイルボビン３０の接触部分３４及び起立部分３５は、Ａｌベース板２２に接触している。また、角型コイルボビン３０の挿通口に挿入されたフェライトコア５３の両端部は、挿通口から突出して磁極部を形成するフェライト部材５１に接触している。
二次側コイルの角型コイルボビン４０が収容される筐体の内部も図９、図１０と略同様である。

このように、このコイル装置は、角型コイルボビンを熱伝導率が高いＡｌで構成しているため、給電時にコアや巻線で発生する熱を、コイルボビンを通じて容易に逃がすことができる。
また、角型コイルボビンがＡｌベース板に接触しているため、角型コイルボビンに伝わる熱は、Ａｌベース板を通じて外部に効率的に逃がすことができる。
また、角型コイルボビンは、複数の分割部材で構成され、分割部材間が絶縁されているため、導電金属が漏洩磁束を遮断した際に発生する渦電流を抑えることができ、渦電流による損失の増加を回避することができる。

なお、ここでは、角型コイルボビンの素材にＡｌを用いたが、熱伝導率が高い銅などを用いても良い。
また、ここでは、角型コイルボビンを８個の分割部材で構成する例を示したが、分割数は８以外であっても良い。
また、ここでは、Ｈ字形状のコアを備える両側巻コイルについて示したが、本発明は、図１３に示す、コア形状が長方形である両側巻コイルにも適用できる。
また、ここでは、Ａｌベース板が筐体の裏面板である場合について示したが、Ａｌベース板は、筐体の構成部材でなくても良い。両側巻コイルでは、相手コイルと対向する側の反対側（裏側）に迂回する漏洩磁束が発生し、この漏洩磁束の影響を抑えるために、アルミ板等の非磁性良導体から成る電磁遮蔽金属板がコイルの裏側に配置される。そのため、Ａｌベース板として、この電磁遮蔽金属板を用いても良い。
また、ここでは、フェライトコアを用いるコイル装置について説明したが、非接触給電で用いる周波数において損失の少ない他の磁性体、例えばアモルファス磁性体などをコアの全部または一部に用いても良い。

本発明のコイル装置は、高い放熱特性を有しているため、小型であっても大電力の非接触給電が可能であり、電気自動車やプラグインハイブリッド車等、各種の移動体への非接触給電に広く用いることができる。

１０ フェライトコア
１１ 巻線
１２ 磁極部
１４ コイルボビン
２１ 樹脂カバー
２２ Ａｌベース板
２３ 電線導出口
３０ 一次側コイルの角型コイルボビン
３１ 分割部材
３２ コア挿通孔
３３ ガイド溝
３４ 接触部分
３５ ガイド溝間の起立部分
４０ 二次側コイルの角型コイルボビン
４１ 分割部材
５１ 磁極部を構成するフェライト部材
５２ 磁極部を構成するフェライト部材
１０２ 二次側コイル（受電コイル）
２０２ 一次側コイル（送電コイル）

Claims (4)

1. 非接触給電トランスの一次側コイルまたは二次側コイルを構成するコイル装置であって、
   中心にコイルのコアが挿通される挿通孔を有し、外周に巻線が巻回される角型形状のコイルボビンを備え、
   前記コイルボビンは、アルミニウムまたは銅製の複数の分割部材から成り、前記分割部材の組み合わせにより前記角型形状が維持されており、
   前記角型形状のコイルボビンは、相手側コイルに対向する側の反対側に配置されたアルミニウムベース板に一部が接触し、
   前記角型形状のコイルボビンの前記アルミニウムベース板に接触する部分を除く外周面、及び、前記分割部材の相互に接触する接触面が絶縁塗料で被覆され、前記挿通孔に挿通された前記コアと前記コイルボビンとの間、及び、前記アルミニウムベース板と前記コイルボビンとの間が前記絶縁塗料を介さずに接触していることを特徴とするコイル装置。
2. 請求項１に記載のコイル装置であって、前記角型形状のコイルボビンの外周には、前記巻線の巻回位置にガイド溝が形成されており、前記コイルボビンの前記ガイド溝の形成されていない部分、及び、隣接する前記ガイド溝の間の部分が、前記アルミニウムベース板に接触することを特徴とするコイル装置。
3. 請求項１または２に記載のコイル装置であって、前記分割部材が、前記角型形状のコイルボビンを前記挿通孔の長手方向と直交する方向、及び、前記長手方向と平行する方向に分割して得られる部材から成ることを特徴とするコイル装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のコイル装置であって、前記角型形状のコイルボビンが収納される筐体を有し、該筐体は、相手側コイルに対向する側の面を覆い、反対側の面が開口した樹脂カバーと、前記樹脂カバーの開口した面を塞ぐ前記アルミニウムベース板とを備え、前記筐体に収納された前記角型形状のコイルボビンが前記アルミニウムベース板に接触することを特徴とするコイル装置。