JP6365109B2 - コイルユニット - Google Patents

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に用いられるコイルユニットに関するものである。

非接触電力伝送技術は、相対させた１次（送電）コイルと２次（受電）コイルとの間の電界、磁界、電磁波等の結合を利用し、１次コイルに与えた交流電流のエネルギーを２次コイルに非接触にて伝送する技術である。伝送技術としていくつかの方式があるが、その中でも磁界の結合を利用し、送電コイルユニットと受電コイルユニットをＬＣ共振回路として両コイルユニットの共振周波数を合わせた磁界共鳴方式は、近〜中距離における大電力の伝送を高効率に行うことができる方式として注目を集めている。

磁界共鳴方式の非接触電力伝送技術を電気自動車などの大電力伝送が必要な充電装置に適用した場合、損失による発熱が深刻な問題となるため、コイルユニット自身の低損失化、電力伝送の高効率化が求められている。

このような要求に対して、例えば、特許文献１では、コイルが渦巻き状に巻回されたフラット構造よりなると共に、該コイルが配設される磁心コアがフラットな平板状をなすフェライトコアである非接触給電装置が提案されている。この非接触給電装置では、該コイルと該磁心コアについて、全体の磁気抵抗を最小とすべく、相互間で面積を目安とした配置調整が実施されることにより、形成される磁束について、その妨げとなる磁気抵抗が最小化され、その分だけ電力損失が低減され、高出力が確保されるようになり、充電効率等の給電効率を向上している。

特開２０１０−１１９１８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、磁性体をコアとしてコイルに近接させて配置していることから、鏡像効果と呼ばれる現象によりコイルの損失が増大し、結果、コイルユニットの発熱が増大するという課題があった。ここで鏡像効果とは、交流電流の流れる導線に磁性体を近接させた際、磁性体表面を対称面とする鏡映対称な導線が存在して磁束を打ち消し合うかのようにコイルに逆起電力が誘起され、磁性体に近接する部分で導線内部の電流密度が低くなることにより、交流抵抗が増大する現象である。

また、特許文献１に開示される技術では、磁気抵抗を最小化することでコイル間のインダクタンスを向上できるものの、上述のように交流抵抗が増大することから、これらの値によって決定され、伝送効率に寄与するコイルのＱ値はほとんど変化しない、あるいは場合によっては低下してしまう虞があり、コイルのＱ値を大幅に向上させることは難しく、高効率化が不十分という課題があった。ここで、コイルのＱ値とはＱ＝ωＬ／Ｒの式で表される量であり、電力伝送に用いる伝送周波数の角速度ωとコイルユニットのインダクタンスの積を、伝送周波数での交流抵抗で除した値である。

本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、コイルに磁性体を近接配置した場合の交流抵抗の増大を抑制してコイルのＱ値を大幅に向上させ、高効率、低損失なコイルユニットを得ることを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明者等が鋭意研究した結果、コイルの導線として、複数の絶縁被覆導体を撚り合わせて構成したリッツ線を断面視した場合の巻線の断面形状の輪郭と磁性体との位置関係により、交流抵抗の増大を抑制し、さらには交流抵抗を低減することが可能であることが新たに見出されたため、本発明を完成するに至った。

本発明に係るコイルユニットは、巻線と、棒状または板状の磁性体とを備え、巻線は、複数の絶縁被覆導体を撚り合わせたリッツ線から構成され、巻線の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、断面形状の中心を通り、磁性体の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して非対称な輪郭をなすとともに、水平な方向の輪郭幅が広い部分と輪郭幅が狭い部分を有し、輪郭幅が広い部分は、輪郭幅が狭い部分よりも磁性体側に位置していることを特徴とする。

本発明によれば、巻線が、複数の絶縁被覆導体を撚り合わせたリッツ線から構成され、巻線の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、断面形状の中心を通り、磁性体の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して非対称な輪郭をなすとともに、水平な方向の輪郭幅が広い部分と輪郭幅が狭い部分を有し、輪郭幅が広い部分は、輪郭幅が狭い部分よりも磁性体側に位置している。そのため、磁性体の鏡像効果によって生じる逆起電力に起因する交流抵抗の増大を最も効率的に抑制することができ、コイルユニットの低損失化を実現できる。また、本発明に係るコイルユニットは、コイルのインダクタンスを低下させず交流抵抗のみを抑制することができるため、コイルのＱ値を大幅に向上できる。その結果、伝送効率の高効率化を図ることができる。

好ましくは、巻線は、輪郭幅が広い部分から輪郭幅が狭い部分に向かって、断面形状の輪郭幅が単調に減少しているとよい。この場合、鏡像効果による交流抵抗は磁性体からの距離が離れるにしたがって単調に減少するため、交流抵抗の増大を最小限にでき、効率的にＱ値を向上させることができる。

より好ましくは、輪郭幅が広い部分は、断面形状において磁性体に最も近接する部分に位置し、輪郭幅が狭い部分は、断面形状において磁性体から最も遠い部分に位置しているとよい。この場合、鏡像効果による交流抵抗は磁性体からの距離が離れるにしたがって単調に減少するため、交流抵抗の増大を最小限にでき、効率的にＱ値を向上させることができる。

本発明によれば、コイルに磁性体を近接配置した場合の交流抵抗の増大を抑制してコイルのＱ値を大幅に向上させ、高効率、低損失なコイルユニットを提供することができる。

本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置を負荷とともに示すシステム構成図である。 本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの断面図である。 図２に示すコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図である。 図２に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの断面図に相当する、本発明の第１変形例に係るコイルユニットの断面図である。 図４に示すコイルユニットにおける領域Ａ’を拡大して示す一部拡大図である。 図３に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図に相当する、本発明の第２変形例に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図である。 図３に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図に相当する、比較例１に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図である。 図３に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図に相当する、比較例２に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図である。 実施例１と比較例１，２のインダクタンスＬの測定結果である。 実施例１と比較例１，２の等価直列抵抗値Ｒｓの測定結果である。 実施例１と比較例１，２のＱ値の測定結果である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置Ｓ１の全体構成について説明する。図１は、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置を負荷とともに示すシステム構成図である。なお、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットは、非接触電力伝送装置における送電コイルユニットおよび受電コイルユニットのいずれにも適用可能である。

非接触電力伝送装置Ｓ１は、図１に示されるように、送電装置Ｕｔと、受電装置Ｕｒと、を有する。

送電装置Ｕｔは、電源ＰＷと、インバータＩＮＶと、送電側共振部Ｒｔｕと、を有する。受電装置Ｕｒは、整流回路ＤＢと、受電側共振部Ｒｒｕと、を有する。

まず、送電装置Ｕｔの構成について説明する。電源ＰＷは、直流電力を後述するインバータＩＮＶに供給する。電源ＰＷとしては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、あるいはスイッチングコンバータ等のスイッチング電源装置などが挙げられる。

インバータＩＮＶは、電源ＰＷから供給される入力直流電力を交流電力に変換する機能を有している。本実施形態では、インバータＩＮＶは、電源ＰＷから供給される入力直流電力を交流電力に変換し、共振部である後述の送電コイルユニットＬｔｕ、送電側共振コンデンサユニットＣｔｕに供給する。インバータＩＮＶとしては、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。このスイッチング回路を構成するスイッチング素子としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。

送電側共振部Ｒｔｕは、図１に示されるように、送電コイルユニットＬｔｕと、送電側共振コンデンサユニットＣｔｕと、を有する。具体的には、送電側共振部Ｒｔｕは、送電コイルユニットＬｔｕと送電側共振コンデンサユニットＣｔｕにより形成されるＬＣ共振回路を構成している。したがって、この送電側共振部Ｒｔｕの共振周波数を後述する受電側共振部Ｒｒｕの共振周波数とほぼ等しく構成することで、磁界共鳴方式の電力伝送を実現することが可能となる。

送電コイルユニットＬｔｕは、インバータＩＮＶから供給された交流電力を後述する受電コイルユニットＬｒｕに送電する機能を有する。なお、本実施形態に係る非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、送電コイルユニットＬｔｕは、地中または地面近傍に配設されることとなる。

送電側共振コンデンサユニットＣｔｕは、送電側共振部Ｒｔｕの共振周波数が後述する受電側共振部Ｒｒｕの共振周波数とほぼ等しくなるように、共振周波数を調整する機能を有する。この送電側共振コンデンサユニットＣｔｕは、送電コイルユニットＬｔｕに直列接続されていてもよく、並列接続されていてもよく、あるいは直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。

次に、受電装置Ｕｒの構成について説明する。受電側共振部Ｒｒｕは、図１に示されるように、受電コイルユニットＬｒｕと、受電側共振コンデンサユニットＣｒｕと、を有する。具体的には、受電側共振部Ｒｒｕは、受電コイルユニットＬｒｕと受電側共振コンデンサユニットＣｒｕにより形成されるＬＣ共振回路を構成している。したがって、この受電側共振部Ｒｒｕの共振周波数を送電側共振部Ｒｔｕの共振周波数とほぼ等しく構成することで、磁界共鳴方式の伝送を実現することが可能となる。

受電コイルユニットＬｒｕは、送電コイルユニットＬｔｕから送電された交流電力を受電する機能を有する。なお、本実施形態に係る非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、受電コイルユニットＬｒｕは、車両下部に搭載されることとなる。

受電側共振コンデンサユニットＣｒｕは、送電側共振部Ｒｔｕの共振周波数が受電側共振部Ｒｒｕの共振周波数とほぼ等しくなるように、共振周波数を調整する機能を有する。この受電側共振コンデンサユニットＣｒｕは、受電コイルユニットＬｒｕに直列接続されていてもよく、並列接続されていてもよく、あるいは直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。

整流回路ＤＢは、受電コイルユニットＬｒｕが受電した交流電力を直流電力に整流する機能を有する。整流回路ＤＢとしては、ダイオードブリッジを用いた全波整流機能と、コンデンサ及び三端子レギュレータを用いた電力平滑化機能を備えた変換回路などが挙げられる。この整流回路ＤＢにより整流された直流電力は、負荷Ｒに出力される。ここで、負荷Ｒとしては、本実施形態に係る非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、車両が有する二次電池や回転機が挙げられる。なお、負荷Ｒが交流回転機の場合、非接触受電装置Ｕｒの整流回路ＤＢと負荷Ｒとの間にインバータ（図示しない）を付加して交流回転機に交流電力を供給するように構成する必要がある。

このような構成を備えることにより、送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕが対向することで、非接触にて電力が伝送される非接触電力伝送装置Ｓ１が実現される。

続いて、上述した送電コイルユニットＬｔｕあるいは受電コイルユニットＬｒｕに適用される本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの構成について詳細に説明する。

図２および図３を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１の構成について説明する。図２は、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの断面図である。図３は、図２に示すコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図である。

コイルユニットＬｕ１は、図２に示されるように、磁性体Ｆ１と、コイルＣ１と、を有する。磁性体Ｆ１は、棒状または板状の磁性体である。本実施形態では、磁性体Ｆ１は、外形形状が略直方体形状を呈しており、その外表面として、対向する略長方形状の第１および第２の主面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂと、対向する第１および第２の側面（図示しない）と、対向する第１および第２の端面Ｆ１ｃ，Ｆ１ｄと、を有する。第１および第２の側面は、第１および第２の主面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ間を連結するように第１および第２の主面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂの長辺方向（図示ｘ方向）に伸びている。第１および第２の端面Ｆ１ｃ，Ｆ１ｄは、第１および第２の主面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ間を連結するように第１および第２の主面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂの短辺方向（図示ｙ方向）に伸びている。また、コイルユニットＬｕ１を送電コイルユニットＬｔｕあるいは受電コイルユニットＬｒｕに適用した場合、磁性体Ｆ１の第１および第２の主面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂの長辺方向が送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向と直交する方向に一致するように配置されることとなる。またさらには、磁性体Ｆ１は、後述するコイルＣ１と離間して配置されており、磁性体Ｆ１と後述するコイルＣ１との間の離間距離は、これらの間に必要な絶縁距離や、磁性体Ｆが後述するコイルＣ１に及ぼす好ましい磁気抵抗の低減効果に基づいて適宜設定される。このような磁性体Ｆ１としては、比較的比透磁率の高い材料から構成されていると好ましく、例えばフェライトが挙げられる。

コイルＣ１は、略方形を呈した平面状のスパイラル構造のコイルであり、磁性体Ｆ１の表面上に巻線Ｗ１を巻回して形成されている。本実施形態では、コイルＣ１は、磁性体Ｆ１の第１の主面Ｆ１ａ上に巻線Ｗ１が巻回されている。すなわち、コイルＣ１の軸方向は、磁性体Ｆ１の第１および第２の主面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂの長辺方向と直交する方向である送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向に対して平行となる。ここで、コイルユニットＬｕ１を送電コイルユニットＬｔｕに適用した場合、コイルＣ１は、送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向において、磁性体Ｆ１よりも受電コイルユニットＬｒｕ側に近接配置される。一方、コイルユニットＬｕ１を受電コイルユニットＬｒｕに適用した場合、コイルＣ１は、送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向において、磁性体Ｆ１よりも送電コイルユニットＬｔｕ側に近接配置される。言い換えれば、磁性体Ｆ１は、電力伝送の際のコイルＣ１の電力伝送面とは反対側に配置されることとなる。このような構成により、コイルＣ１の巻線Ｗ１を断面視した場合、巻線Ｗ１の外周面の一部が磁性体Ｆ１の第１主面Ｆ１ａに近接し、巻線Ｗ１の外周面の一部（残部）が磁性体Ｆ１の第１主面Ｆ１ａから遠ざかるように配置されることとなる。コイルＣ１の巻数は、電力伝送の際に対向することとなるコイルとの間の離間距離や、所望の電力伝送効率などに基づいて適宜設定される。

巻線Ｗ１は、複数の絶縁被覆導体Ｗ１ｅを撚り合わせたリッツ線から構成されている。具体的には、巻線Ｗ１は、銅またはアルミニウム等の導体素線をエナメル等の絶縁被覆部材で覆った絶縁被覆導体Ｗ１ｅを数百〜数千本撚り合わせて構成されている。巻線Ｗ１は、図３に示されるように、当該巻線Ｗ１の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、当該断面形状の中心を通り、磁性体Ｆ１の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して非対称な輪郭をなしている。本実施形態では、巻線Ｗ１の当該巻線Ｗ１の延在方向に対して直交する方向の断面形状の輪郭は、略二等辺三角形状を呈している。このような断面形状の輪郭は、当該輪郭の形状を持つボビン等にコイルＣ１を形成することにより実現される。が、実現方法はこれに限定されるものではない。なお、本実施形態では、巻線Ｗ１の当該巻線Ｗ１の延在方向に対して直交する方向の断面形状の輪郭は、略二等辺三角形状を呈しているがこれに限られることなく、正三角形状や直角三角形状を呈していてもよい。また、図３において、隣り合う巻線Ｗ１同士の離間距離は、巻線Ｗ１同士の絶縁距離や巻線Ｗ１同士が互いに及ぼし合う近接効果による交流抵抗の増大、コイルＣ１のインダクタンス、機構的に所望される巻線幅の要求などに基づいて適宜設定される。

また、巻線Ｗ１は、当該巻線Ｗ１の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合、磁性体Ｆ１の表面に対して水平な方向の輪郭幅が広い部分Ｗ１ｗと輪郭幅が狭い部分Ｗ１ｎを有している。言い換えれば、巻線Ｗ１は、磁性体Ｆ１の第１主面Ｆ１ａと第２主面Ｆ１ｂの対向方向に平行な方向の輪郭幅が広い部分Ｗ１ｗと輪郭幅が狭い部分Ｗ１ｎを有している。この巻線Ｗ１の輪郭幅が広い部分Ｗ１ｗは、巻線Ｗ１の輪郭幅が狭い部分Ｗ１ｎよりも磁性体Ｆ１側に位置している。すなわち、本実施形態では、略二等辺三角形状の底辺部が磁性体Ｆ１側に位置することとなる。好ましくは、巻線Ｗ１は、輪郭幅が広い部分Ｗ１ｗから輪郭幅が狭い部分Ｗ１ｎに向かって、断面形状の輪郭幅が単調に減少していることが望ましい。すなわち、輪郭幅の大きさは増減が変化することなく、輪郭幅が広い部分Ｗ１ｗから輪郭幅が狭い部分Ｗ１ｎに向かって一方的に減少しているとよい。また、輪郭幅が広い部分Ｗ１ｗは、断面形状において磁性体Ｆ１に最も近接する部分に位置し、輪郭幅が狭い部分Ｗ１ｎは、断面形状において磁性体Ｆ１から最も遠い部分に位置しているとよい。この場合、鏡像効果による交流抵抗は磁性体Ｆ１からの距離が離れるにしたがって単調に減少するため、交流抵抗の増大を最小限にでき、効率的にコイルＣ１のＱ値を向上させることができる。

以上のように、本実施形態に係るコイルユニットＬｕ１は、巻線Ｗ１が、複数の絶縁被覆導体Ｗ１ｅを撚り合わせたリッツ線から構成され、巻線Ｗ１の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、当該断面形状の中心を通り、磁性体Ｆ１の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して非対称な輪郭をなすとともに、水平な方向の輪郭幅が広い部分Ｗ１ｗと輪郭幅が狭い部分Ｗ１ｎを有し、輪郭幅が広い部分Ｗ１ｗは、輪郭幅が狭い部分Ｗ１ｎよりも磁性体Ｆ１側に位置している。そのため、磁性体Ｆ１の鏡像効果によって生じる逆起電力に起因する交流抵抗の増大を最も効率的に抑制することができ、コイルユニットＬｕ１の低損失化を実現できる。

また、本実施形態に係るコイルユニットＬｕ１においては、コイルＣ１のインダクタンスを低下させず交流抵抗のみを抑制することができるため、コイルＣ１のＱ値を大幅に向上できる。その結果、伝送効率の高効率化を図ることができる。

（第１変形例）
続いて、図４および図５を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１の第１変形例であるコイルユニットＬｕ２の構成について説明する。図４は、図２に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの断面図に相当する、本発明の第１変形例に係るコイルユニットの断面図である。図５は、図４に示すコイルユニットにおける領域Ａ’を拡大して示す一部拡大図である。なお、本変形例に係るコイルユニットＬｕ２は、非接触電力伝送装置Ｓ１における上述した送電コイルユニットＬｔｕあるいは受電コイルユニットＬｒｕのいずれにも適用可能である。本変形例では、上述の実施形態に係るコイルユニットＬｕ１の磁性体Ｆ１、コイルＣ１に代えて、コイルユニットＬｕ２が磁性体Ｆ２、コイルＣ２を備えている点において、上述の実施形態に係るコイルユニットＬｕ１と相違する。すなわち、上述の実施形態に係るコイルユニットＬｕ１と本変形例に係るコイルユニットＬｕ２は、コイルのタイプが異なる。以下、上述の実施形態と異なる点を中心に説明する。

コイルユニットＬｕ２は、図４に示されるように、磁性体Ｆ２、コイルＣ２と、を有する。本変形例では、磁性体Ｆ２は、外形形状が略直方体形状を呈しており、その外表面として、対向する略長方形状の第１および第２の主面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂと、対向する第１および第２の側面（図示しない）と、対向する第１および第２の端面Ｆ２ｃ，Ｆ２ｄと、を有する。第１および第２の側面は、第１および第２の主面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ間を連結するように第１および第２の主面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂの長辺方向（図示ｘ方向）に伸びている。第１および第２の端面Ｆ２ｃ，Ｆ２ｄは、第１および第２の主面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ間を連結するように第１および第２の主面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂの短辺方向（図示ｙ方向）に伸びている。また、コイルユニットＬｕ２を送電コイルユニットＬｔｕあるいは受電コイルユニットＬｒｕに適用した場合、磁性体Ｆ２の第１および第２の主面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂの長辺方向が送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向と直交する方向に一致するように配置されることとなる。このような磁性体Ｆ２としては、比較的比透磁率の高い材料から構成されていると好ましく、例えばフェライトが挙げられる。なお、本変形例では、磁性体Ｆ２は、外形形状が略直方体形状を呈しているが、円筒状を呈していてもよい。

コイルＣ２は、螺旋状のソレノイド構造のコイルであり、磁性体Ｆ２の表面上に巻線Ｗ２を巻回して形成されている。本変形例では、コイルＣ２は、磁性体Ｆ２の第１および第２の主面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ上と第１および第２の側面上に巻線Ｗ２が巻回されている。具体的には、コイルＣ２は、磁性体Ｆ２の外表面を、第１の端面Ｆ２ｃと第２の端面Ｆ２ｄの対向方向を軸にして、螺旋状に周回するように巻回されている。つまり、磁性体Ｆ２は、コイルＣ２のコアとして機能することとなる。このような構成により、コイルＣ２の巻線Ｗ２を断面視した場合、磁性体Ｆ２の第１の主面Ｆ２ａ上に位置する巻線Ｗ２（図示上側）の外周面の一部が磁性体Ｆ２の第１の主面Ｆ２ａに近接し、巻線Ｗ２（図示上側）の外周面の一部（残部）が磁性体Ｆ２の第１の主面Ｆ２ａから遠ざかるように配置されることとなる。また、磁性体Ｆ２の第２の主面Ｆ２ｂ上に位置する巻線Ｗ２（図示下側）の外周面の一部が磁性体Ｆ２の第２の主面Ｆ２ｂに近接し、巻線Ｗ２（図示下側）の外周面の一部（残部）が磁性体Ｆ２の第２の主面Ｆ２ｂから遠ざかるように配置されることとなる。

巻線Ｗ２は、複数の絶縁被覆導体Ｗ２ｅを撚り合わせたリッツ線から構成されている。巻線Ｗ２は、第１実施形態に係る巻線Ｗ２と同様、図５に示されるように、当該巻線Ｗ２の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、当該断面形状の中心を通り、磁性体Ｆ２の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して非対称な輪郭をなしている。本変形例では、巻線Ｗ２の当該巻線Ｗ２の延在方向に対して直交する方向の断面形状の輪郭は、略二等辺三角形状を呈している。

また、巻線Ｗ２は、当該巻線Ｗ２の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合、磁性体Ｆ２の表面に対して水平な方向の輪郭幅が広い部分Ｗ２ｗと輪郭幅が狭い部分Ｗ２ｎを有している。言い換えれば、巻線Ｗ２は、磁性体Ｆ２の第１主面Ｆ２ａと第２主面Ｆ２ｂの対向方向に平行な方向の輪郭幅が広い部分Ｗ２ｗと輪郭幅が狭い部分Ｗ２ｎを有している。この磁性体Ｆ２の第１の主面Ｆ２ａ上に位置する巻線Ｗ２（図示上側）の輪郭幅が広い部分Ｗ２ｗは、巻線Ｗ２の輪郭幅が狭い部分Ｗ２ｎよりも磁性体Ｆ２の第１の主面Ｆ２ａ側に位置し、磁性体Ｆ２の第２の主面Ｆ２ｂ上に位置する巻線Ｗ２（図示下側）の幅の広い部分Ｗ２ｗは、巻線Ｗ２の幅の狭い部分Ｗ２ｎよりも磁性体Ｆ２の第２の主面Ｆ２ｂ側に位置している。すなわち、巻線Ｗ２の幅の広い部分Ｗ２ｗは、巻線Ｗ２の幅の狭い部分Ｗ２ｎよりも磁性体Ｆ２側に位置している。好ましくは、巻線Ｗ２は、輪郭幅が広い部分Ｗ２ｗから輪郭幅が狭い部分Ｗ２ｎに向かって、断面形状の輪郭幅が単調に減少していることが望ましい。すなわち、輪郭幅の大きさは増減が変化することなく、輪郭幅が広い部分Ｗ２ｗから輪郭幅が狭い部分Ｗ２ｎに向かって一方的に減少しているとよい。また、輪郭幅が広い部分Ｗ２ｗは、断面形状において磁性体Ｆ２に最も近接する部分に位置し、輪郭幅が狭い部分Ｗ２ｎは、断面形状において磁性体Ｆ２から最も遠い部分に位置しているとよい。この場合、鏡像効果による交流抵抗は磁性体Ｆ２からの距離が離れるにしたがって単調に減少するため、交流抵抗の増大を最小限にでき、効率的にコイルＣ２のＱ値を向上させることができる。

以上のように、本変形例に係るコイルユニットＬｕ２は、巻線Ｗ２が、複数の絶縁被覆導体Ｗ２ｅを撚り合わせたリッツ線から構成され、巻線Ｗ２の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、当該断面形状の中心を通り、磁性体Ｆ２の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して非対称な輪郭をなすとともに、水平な方向の輪郭幅が広い部分Ｗ２ｗと輪郭幅が狭い部分Ｗ２ｎを有し、輪郭幅が広い部分Ｗ２ｗは、輪郭幅が狭い部分Ｗ２ｎよりも磁性体Ｆ２側に位置している。そのため、磁性体Ｆ２の鏡像効果によって生じる逆起電力に起因する交流抵抗の増大を最も効率的に抑制することができ、コイルユニットＬｕ２の低損失化を実現できる。

また、本変形例に係るコイルユニットＬｕ２においては、コイルＣ２のインダクタンスを低下させず交流抵抗のみを抑制することができるため、コイルＣ２のＱ値を大幅に向上できる。その結果、伝送効率の高効率化を図ることができる。

（第２変形例）
続いて、図６を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１の第２変形例に係るコイルユニットの構成について説明する。図６は、図３に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図に相当する、本発明の第２変形例に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図である。本変形例では、上述の実施形態に係るコイルユニットＬｕ１のコイルＣ１における巻線Ｗ１に代えて、巻線Ｗ３を備えている点において、上述の実施形態と相違する。なお、本変形例に係るコイルユニットのコイルＣ１のタイプ、軸方向、巻数と磁性体Ｆ１の構成については、上述の実施形態に係るコイルユニットＬｕ１と同様である。以下、上述の実施形態と異なる点を中心に説明する。

巻線Ｗ３は、複数の絶縁被覆導体Ｗ３ｅを撚り合わせたリッツ線から構成されている。巻線Ｗ３は、上述の実施形態に係る巻線Ｗ１と同様、図６に示されるように、当該巻線Ｗ３の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、当該断面形状の中心を通り、磁性体Ｆ１の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して非対称な輪郭をなしている。本変形例では、巻線Ｗ３の当該巻線Ｗ３の延在方向に対して直交する方向の断面形状の輪郭は、略台形状を呈している。

また、巻線Ｗ３は、当該巻線Ｗ３の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合、磁性体Ｆ１の表面に対して水平な方向の輪郭幅が広い部分Ｗ３ｗと輪郭幅が狭い部分Ｗ３ｎを有している。言い換えれば、巻線Ｗ３は、磁性体Ｆ１の第１主面Ｆ１ａと第２主面Ｆ１ｂの対向方向に平行な方向の輪郭幅が広い部分Ｗ３ｗと輪郭幅が狭い部分Ｗ３ｎを有している。この巻線Ｗ３の輪郭幅が広い部分Ｗ３ｗは、巻線Ｗ３の輪郭幅が狭い部分Ｗ３ｎよりも磁性体Ｆ１側に位置している。すなわち、本変形例では、巻線Ｗ３の輪郭幅が広い部分Ｗ３ｗが磁性体Ｆ１側に位置することとなる。好ましくは、巻線Ｗ３は、輪郭幅が広い部分Ｗ３ｗから輪郭幅が狭い部分Ｗ３ｎに向かって、断面形状の輪郭幅が単調に減少していると望ましい。すなわち、輪郭幅の大きさは増減が変化することなく、輪郭幅が広い部分Ｗ３ｗから輪郭幅が狭い部分Ｗ３ｎに向かって一方的に減少しているとよい。また、輪郭幅が広い部分Ｗ３ｗは、断面形状において磁性体Ｆ１に最も近接する部分に位置し、輪郭幅が狭い部分Ｗ３ｎは、断面形状において磁性体Ｆ１から最も遠い部分に位置しているとよい。この場合、鏡像効果による交流抵抗は磁性体Ｆ１からの距離が離れるにしたがって単調に減少するため、交流抵抗の増大を最小限にでき、効率的にコイルＣ１のＱ値を向上させることができる。

以上のように、本変形例に係るコイルユニットは、巻線Ｗ３が、複数の絶縁被覆導体Ｗ３ｅを撚り合わせたリッツ線から構成され、巻線Ｗ３の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、当該断面形状の中心を通り、磁性体Ｆ１の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して非対称な輪郭をなすとともに、水平な方向の輪郭幅が広い部分Ｗ３ｗと輪郭幅が狭い部分Ｗ３ｎを有し、輪郭幅が広い部分Ｗ３ｗは、輪郭幅が狭い部分Ｗ３ｎよりも磁性体Ｆ１側に位置している。そのため、磁性体Ｆ１の鏡像効果によって生じる逆起電力に起因する交流抵抗の増大を最も効率的に抑制することができ、コイルユニットの低損失化を実現できる。また、本変形例に係るコイルユニットは、コイルＣ１のインダクタンスを低下させず交流抵抗のみを抑制することができるため、コイルＣ１のＱ値を大幅に向上できる。その結果、伝送効率の高効率化を図ることができる。

以下、上述の実施形態によって、コイルに磁性体を近接配置した場合の交流抵抗の増大を抑制してコイルのＱ値を大幅に向上させることができることを実施例１と比較例１，２とによって具体的に示す。

実施例１として、上述した好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１を用いた。比較例１として、実施例１と特性を比較するために、好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１において、巻線Ｗ１の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状の輪郭が略真円形であるコイルユニットＬｕ１０を用いた。また、比較例２として、実施例１と特性を比較するために、好適な実施形態に係るコイルユニットＬｕ１において、磁性体Ｆ１を取り除いたコイルユニットＬｕ２０を用いた。

まず、図７を参照して、比較例１のコイルユニットＬｕ１０の構成を説明する。図７は、図３に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図に相当する、比較例１に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図である。コイルユニットＬｕ１０は、上述の実施形態に係るコイルユニットＬｕ１のコイルＣ１に代えて、コイルＣ１０を備えている。コイルＣ１０は、磁性体Ｆ１０の表面上に巻線Ｗ１０を巻回して形成されている。巻線Ｗ１０は、複数の絶縁被覆導体Ｗ１０ｅを撚り合わせたリッツ線から構成され、巻線Ｗ１０の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合、巻線Ｗ１０の断面形状の輪郭が略真円形である。つまり、巻線Ｗ１０は、当該巻線Ｗ１０の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、当該断面形状の中心を通り、磁性体Ｆ１０の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して対称な輪郭をなしている。ここで、比較例１における巻線Ｗ１０の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の巻線断面の面積は、上述の実施形態における巻線断面の面積と同等とした。

続いて、図８を参照して、比較例２のコイルユニットＬｕ２０の構成を説明する。図８は、図３に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図に相当する、比較例２に係るコイルユニットにおける領域Ａを拡大して示す一部拡大図である。コイルユニットＬｕ２０は、コイルＣ２０のみを有し、上述の実施形態に係るコイルユニットＬｕ１から磁性体Ｆ１を取り除いたものである。すなわち、比較例２のコイルＣ２０は、中央部に開口を有するように巻線Ｗ２０を巻回した空芯コイルである。また、比較例２の巻線Ｗ２０は、巻線Ｗ２０の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合、巻線Ｗ２０の断面形状の輪郭が、コイルユニットＬｕ２０の軸方向に直交する面に水平な方向に幅の広い部分Ｗ２０ｗと幅の狭い部分Ｗ２０ｎを有する。

ここで、実施例１と比較例１，２における巻線Ｗ１，Ｗ１０，Ｗ２０には、ポリイミドで被覆した直径０．０５ｍｍの銅線を４０００本程度撚り合わせた直径約６ｍｍのリッツ線を用いた。また、実施例１と比較例１における磁性体Ｆ１，Ｆ１０は、長さ３２０ｍｍ、幅３２０ｍｍ、厚さ６ｍｍのフェライト（比透磁率３０００程度）を用いた。さらに、実施例１と比較例１，２におけるコイルＣ１，Ｃ１０，Ｃ２０の巻数はいずれも１３ターンとした。

続いて、実施例１と比較例１，２において、インピーダンスアナライザを用いてコイルユニットのインダクタンスＬと等価直列抵抗値Ｒｓを測定した。また、非接触電力伝送の伝送周波数を８５ｋＨｚとし、測定したインダクタンスＬと等価直列抵抗値ＲｓからＱ値を求めた。

インダクタンスＬの測定結果を図９に示す。また、等価直列抵抗値Ｒｓの測定結果を図１０に示す。またさらには、Ｑ値の測定結果を図１１に示す。図９〜図１１に示されるように、実施例１は、比較例１に比べて、インダクタンスＬの値がほぼ同等である一方、等価直列抵抗値Ｒｓの値が顕著に低く、その結果、Ｑ値が著しく高い。また実施例１は、比較例２に比べて、磁性体Ｆ１を使用したことによりインダクタンスＬの値が増加している一方、等価直列抵抗値Ｒｓは低く、その結果、Ｑ値が著しく高い。比較例１と比較例２から、巻線の断面形状の輪郭が略円形であるコイルに磁性体を近接させた場合、インダクタンスＬの値が増加する一方、等価直列抵抗値Ｒｓの値も同様に増大するため、結果としてＱ値はあまり変化しないばかりか、場合によっては低下することが確認された。すなわち、実施例１では、コイルＣ１の交流抵抗の増大が抑制され、コイルＣ１のＱ値が大幅に向上されていることが確認できた。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

本発明に係るコイルユニットは、電気自動車（ＢＥＶ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの車両への非接触電力伝送システムにおけるコイルユニットに幅広く活用が可能である。

Ｓ１…非接触電力伝送装置、Ｕｔ…送電装置、ＰＷ…電源、ＩＮＶ…インバータ、Ｒｔｕ…送電側共振部、Ｌｔｕ…送電側コイルユニット、Ｃｔｕ…送電側共振コンデンサユニット、Ｕｒ…受電装置、ＤＢ…整流回路、Ｒ…負荷、Ｒｒｕ…受電側共振部、Ｌｒｕ…受電側コイルユニット、Ｃｒｕ…受電側共振コンデンサユニット、Ｌｕ１，Ｌｕ２…コイルユニット、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１０，Ｃ２０…コイル、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ１０…磁性体、Ｆ１ａ，Ｆ２ａ…磁性体の第１の主面、Ｆ１ｂ，Ｆ２ｂ…磁性体の第２の主面、Ｆ１ｃ，Ｆ２ｃ…磁性体の第１の端面、Ｆ１ｄ，Ｆ２ｄ…磁性体の第２の端面、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ１０，Ｗ２０…巻線、Ａ…コイルユニットにおける一部領域、Ｗ１ｅ，Ｗ２ｅ，Ｗ３ｅ，Ｗ１０ｅ，Ｗ２０ｅ…絶縁被覆導体、Ｗ１ｗ，Ｗ２ｗ，Ｗ３ｗ，Ｗ２０ｗ…輪郭幅が広い部分、Ｗ１ｎ，Ｗ２ｎ，Ｗ３ｎ，Ｗ２０ｎ…輪郭幅が狭い部分。

Claims (3)

1. 棒状または板状の磁性体と、
   複数の絶縁被覆導体を撚り合わせたリッツ線から構成され、前記磁性体の表面上に巻回された巻線を備え、
   前記巻線は、当該巻線の延在方向に対して直交する方向に断面視した場合の断面形状が、当該断面形状の中心を通り、前記磁性体の表面に対して水平な方向に延びる仮想直線に対して非対称な輪郭をなすとともに、前記水平な方向の輪郭幅が広い部分と輪郭幅が狭い部分を有し、
   前記輪郭幅が広い部分は、前記輪郭幅が狭い部分よりも前記磁性体側に位置していることを特徴とするコイルユニット。
2. 前記巻線は、前記輪郭幅が広い部分から前記輪郭幅が狭い部分に向かって、前記断面形状の輪郭幅が単調に減少していることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記輪郭幅が広い部分は、前記断面形状において前記磁性体に最も近接する部分に位置し、
   前記輪郭幅が狭い部分は、前記断面形状において前記磁性体から最も遠い部分に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のコイルユニット。

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