JP6300107B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両等の充電に用いられる非接触電力伝送装置に関する。

従来、非接触電力伝送装置の送電コイル又は受電コイルとして、特許文献１には、複数のコアを間隔を空けて配置したものが記載されている。複数のコアからは、コア間の間隙を埋める磁力線が出力されるため、コア間の間隙の寸法を含めた、拡大された大きさのコアとして作用する。そのため、送電コイルと受電コイルの位置ずれに対して強くなり、小型化・軽量化を可能にしている。

また、特許文献２には、Ｈ型コアの幅狭部にコイルを巻回した送電コイル又は受電コイルが記載されている。送電コイルと受電コイルとの間の空間磁束分布は、コイルが巻回されていないコア部の形状で決まるため、Ｈ型コアの幅狭部の幅を狭くしても、コイルの起磁力は変わらない。そのため、送電コイル又は受電コイルの小型化・軽量化を図ることができる。

また、特許文献３には、Ｈ型コアにおいて、コイルが巻回されていないコア部を、コイルが巻回されたコア部よりも、相手コア側に近づけて配置した送電コイル又は受電コイルが記載されている。これにより、コイルが巻回されていないコア部間の距離を短くすることができ、コイル間の結合係数が高くなり、給電効率を高めることができる。

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

従来の送電コイル又は受電コイルの構成では、コイルの巻回軸方向には多くの磁束が集中するため、コイルの巻回軸方向を水平になるように設置した場合、周辺への磁界漏洩が大きくなる。特に、コア部分の終端近辺では拡散する磁束も強くなり、周辺への磁界漏洩がより大きくなるという課題を有していた。

本発明は、従来の課題を解決するもので、コイルの巻回軸方向が水平になる設置構成であっても、周辺への漏洩磁束を低減することが可能な非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明に係る非接触電力伝送装置は、送電コイル及び受電コイルが対向して配置され、送電コイルから受電コイルに電磁誘導を用いて非接触で電力伝送する非接触電力伝送装置であって、送電コイル及び受電コイルのうち少なくとも一方は、第１のコアに電線が巻回された第１のコイルと、第１のコイルの巻回軸方向の少なくとも一端側に配置され、第２のコアに電線が巻回された第２のコイルとを備え、第２のコイルは、第２のコイルの巻回軸方向が、第１のコイルの巻回軸方向に対して、対向する送電コイルまたは受電コイル方向に傾いている。

このような構成により、第１のコイル終端から水平方向（巻回軸方向）に拡散す磁束の多くを、第２のコイルにより上方（対向する送電コイルまたは受電コイル方向）に向けることが可能になり、周辺方向への漏洩磁束を小さくすることが出来る。

本発明によれば、第２のコイルにより、第１のコイルの終端から拡散する磁束の主な方向を、対向する送電コイルまたは受電コイル側に向けることができ、これにより、周辺への漏洩磁界を低減できる。

本発明の一実施形態における非接触電力電送装置のブロック図である。 本発明の一実施形態における非接触電力電送装置の外観図である。 本発明の一実施形態における送電コイルの断面図である。 コイルに発生する磁束ベクトルの比較図である。 本発明の一実施形態におけるコイルに発生する磁束ベクトルの説明図である。 本発明の変形例１における送電コイルの部分断面図である。 本発明の変形例２における送電コイルの部分断面図である。 本発明の変形例２における送電コイルの部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る非接触電力電送装置のブロック図である。また、図２は、車両を駐車スペースに停車した状態の外観図である。

図１および図２に示すように、非接触電力電送装置は、例えば、駐車スペースに設置される給電装置２と、電気推進車両に搭載される受電装置４とで構成される。

給電装置２は、商用電源６に接続される電源箱８と、インバータ部１０と、地上側コイルユニット（送電コイル）１２と、電力制御装置１７を構成する給電装置側の制御部（例えば、マイコン）１６とを備えている。一方、受電装置４は、車両側コイルユニット（受電コイル）１８と、整流部２０と、負荷であるバッテリー２２と、受電装置側の制御部（例えば、マイコン）２４とを備えている。

給電装置２において、商用電源６は、低周波交流電源である２００Ｖ商用電源であり、電源箱８の入力端に接続され、電源箱８の出力端はインバータ部１０の入力端に接続され、インバータ部１０の出力端は地上側コイルユニット１２に接続されている。一方、受電装置４においては、車両側コイルユニット１８の出力端は、整流部２０の入力端に接続され、整流部２０の出力端はバッテリー２２に接続されている。

地上側コイルユニット１２は、地上に敷設され、電源箱８は、例えば、地上側コイルユニット１２から所定距離だけ離隔した位置に立設される。一方、車両側コイルユニット１８は、例えば、車体底部（例えば、シャーシ）に取り付けられる。

給電装置側制御部１６は、受電装置側制御部２４と通信を行い、受電装置側制御部２４は、検出したバッテリー２２の残電圧に応じて電力指令値を決定し、決定した電力指令値を給電装置側制御部１６に送信する。給電装置側制御部１６は、地上側コイルユニット１２で検出した給電電力と、受信した電力指令値とを比較し、電力指令値が得られるようにインバータ部１０を駆動する。

図２に示すように、給電装置２から受電装置４に給電するに際し、車両側コイルユニット１８は、車両を適宜移動させることで地上側コイルユニット１２に対向して配置され、給電装置側制御部１６がインバータ部１０を駆動制御することで、地上側コイルユニット１２と車両側コイルユニット１８との間に高周波の電磁場が形成される。受電装置４は、高周波の電磁場より電力を取り出し、取り出した電力でバッテリー２２を充電する。

図３は、本発明の一実施形態における非接触電力電送装置において、地上側コイルユニット（送電コイル）１２の断面図を示している。なお、車両側コイルユニット（受電コイル）１８も、同様の構成をとることができる。

図３に示すように、地上側コイルユニット１２は、フェライトなどの磁性材料で作られたコア３３と、コア（第１のコア）３３に巻回した電線３０とで構成された第１のコイル３１と、第１のコイル３１の両端側に配置され、コア（第２のコア）３３に電線３０が巻回された第２のコイルから構成される。第１のコイル３１は、巻回軸が水平になるように配置されている。第２のコイル３２は、巻回軸が垂直方向になるように配置されている。また、第１のコイル３１および第２のコイル３２のコア３３は連続して設置され、発生した磁束がそれぞれのコイルに錯交する。

インバータ部１０からの出力は、第１のコイル３１および第２のコイル３２の電線３０に伝わり、磁束が発生する。発生した磁束は、コア３３を伝わり、第２のコイル３２の終端から主に上側（対向する車両側コイルユニット１８側）に向かう磁路を形成する。この磁路により、上側に配置された車両側コイルユニット１８との間に電力伝送のための高周波の電磁場が形成される。

図４及び図５を用いて、本実施の形態における漏洩磁束の変化について説明する。

図４は、比較例として提示する側断面図であり、第２のコイル３２が無い場合に発生する磁束ベクトルを示している。電線３０で生じたコア３３内の磁束４０は、コア３３を経由して上側へ向かう。空気中では磁性体内と同じ磁束密度を維持できないため、電線３０の巻終わりからコア３３の終端近辺にかけて、磁束密度が下がる方向（例えばコア面に垂直方向）への磁束の拡散が生じる。このため、電線３０で生じたコア内の磁束４０の多くはコア３３の終端近辺から拡散し、第１のコイル３１の巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１が大きくなる。

図５は、本実施の形態の場合に発生する磁束ベクトルを図５に示す。本実施の形態の場合も同様に、第１のコイル３１の電線３０で生じたコア内の磁束４０は、コア３３および第２のコイル３２を経由して上側へ向かう。しかし、第１のコイル３１と同じ方向に電線３０が巻回された第２のコイル３２が存在するため、多くの磁束４０が第２のコイル３２側に引き寄せられる。そのため、磁束４０はコア３３内を第２のコイル３２の終端近辺まで少ない漏洩磁束で伝送されることになり、第１のコイル３１の巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束４１は、比較例と比べて小さくすることが可能になる。

すなわち、本実施の形態における非接触電力伝送装置は、送電コイル１２及び受電コイル１８が対向して配置され、送電コイル１２から受電コイル１８に電磁誘導を用いて非接触で電力伝送する非接触電力伝送装置であって、送電コイル１２及び受電コイル１８のうち少なくとも一方は、第１のコアに電線３０が巻回された第１のコイル３１と、第１のコイル３１の巻回軸方向の両端側に配置され、第２のコアに電線３０が巻回された第２のコイル３２とを備え、第２のコイル３２は、第２のコイル３２の巻回軸方向が、第１のコイル３１の巻回軸方向に対して、対向する送電コイル１２または受電コイル１８方向に垂直に傾いている。

（変形例１）
図６は、本発明の変形例１における送電コイル（または受電コイル）の部分断面図である。本変形例の場合は、第１のコイル３１のコア３３と、第２のコイル３２のコア３３との間に隙間を開けて配置している。コア３３の間に隙間を設けた場合、第１のコイル３１のコア３３の終端部において磁束４０が一旦拡散し、その後第２のコイル３２のコア３３へ侵入する。そのため、第２のコイル３２のコア３３において拡散する磁束が減少し、第１のコイル３１の巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束をさらに少なくすることが可能になる。

（変形例２）
図７及び図８に、本発明の変形例２おける送電コイル（または受電コイル）の部分断面図を示す。本変形例においては、第２のコイル３２を垂直より傾けた方向に設置している。このように、第２のコイル３２の終端からの磁束方向を垂直方向よりも広がる方向に設置することで高周波の電磁場を広く形成することが出来るため、漏洩磁束を減少させることに加え、車両の位置ずれによる電力伝送効率の低下を防ぐことが可能になる。

なお、本発明の実施形態においては、第１のコイル３１と第２のコイル３２における電線３０の巻き方向が同じで、かつ直列に接続された構成を例に説明を行ったが、各コイルにおいて発生する磁界の向きが同じであれば他の構成であっても同様の効果を得ることが可能である。例えば、第１のコイル３１と第２のコイル３２における電線３０の巻き方向を逆にし、第１のコイル３１の電線３０の終端から第２のコイル３２の電線３０への接続を逆にして、電流の流れる方向を逆にした場合も、第１のコイル３１で発生する磁束４０を増強する方向に第２のコイル３２の磁界が発生するため、同様に第１のコイル３１の巻回軸方向（水平方向）への漏洩磁束を抑制する効果が得られる。

また、本発明の実施形態においては、地上側コイルユニット１２に第１のコイル３１と第２のコイル３２が設置されている構成を例に説明を行ったが、本発明はこのような場合に限定されるものではない。例えば、このような構成に代えて受電装置４の車両側コイルユニット１８に第１のコイル３１と第２のコイル３２を設置しても良い。もしくは、給電装置２の地上側コイルユニット１２および受電装置４の車両側コイルユニット１８の両方に設置した構成としても良い。

さらに、本発明の実施形態においては、第１のコイル３１の左右に第２のコイル３２を設けているが、どちらか一方にのみに設ける構成としてもよい。

また、本発明の実施形態においては、角型のコア形状を用いて説明を行ったが、例えば円筒形状などほかの形状のコアであっても良い。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることも出来る。

また、地上側コイルユニット１２、車両側コイルユニット１８の周囲にアルミなどの非磁性材料の板を配置して磁束の漏洩をさらに低減することも可能である。

本発明による非接触電力伝送装置は、例えば、人や物が不注意にあるいは誤って近づく可能性がある電気推進車両の受電装置および給電装置に有用である。

２ 給電装置
４ 受電装置
６ 商用電源
８ 電源箱
１０ インバータ部
１２ 地上側コイルユニット（送電コイル）
１６ 給電装置側制御部
１７ 電力制御装置
１８ 車両側コイルユニット（受電コイル）
２０ 整流部
２２ バッテリー
２４ 受電装置側制御部
３０ 電線
３１ 第１のコイル
３２ 第２のコイル
３３ コア
４０ 磁束
４１ 漏洩磁束

Claims (4)

1. 送電コイル及び受電コイルが対向して配置され、前記送電コイルから前記受電コイルに電磁誘導を用いて非接触で電力伝送する非接触電力伝送装置であって、
   前記送電コイル及び前記受電コイルのうち少なくとも一方は、
   第１のコアに電線が巻回された第１のコイルと、
   前記第１のコイルの巻回軸方向の少なくとも一端側に配置され、第２のコアに電線が巻回された第２のコイルと
   を備え、
   前記第１のコアと前記第２のコアとは、隙間を空けて配置されており、
   前記第２のコイルは、該第２のコイルの巻回軸方向が、前記第１のコイルの巻回軸方向に対して、対向する前記送電コイルまたは前記受電コイル方向に傾いている、非接触電力伝送装置。
2. 前記第２のコイルは、該第２のコイルの巻回軸方向が、前記第１のコイルの巻回軸方向に対して、対向する前記送電コイルまたは前記受電コイル側に垂直に傾いている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記第２のコイルの電線の巻き方向は、前記第１のコイルの電線の巻き方向と、同一方向になっており、
   前記第２のコイルの電線に流れる電流の方向は、前記第１のコイルの電線に流れる電流の方向と同一方向になっている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記第２のコイルの電線の巻き方向は、前記第１のコイルの電線の巻き方向と、逆方向になっており、
   前記第２のコイルの電線に流れる電流の方向は、前記第１のコイルの電線に流れる電流の方向と逆方向になっている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
   

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