(57)【要約】      （修正有）【課題】磁性体コアと、磁性体コアの周辺に配置されたコイルを構成する線材等金属材料との絶縁が十分になされ、かつ、外部からの衝撃を緩衝できるワイヤレス電力伝送用コイル装置を提供する。【解決手段】磁性体コア２と、磁性体コア２の周囲に設けられたボビン３と、ボビン３に巻回された線材４と、を備え、ボビン３は、分割された第一の部分３ａと第二の部分３ｂとが組み合わされることにより構成されており、第一の部分３ａは、第二の部分３ｂと対向する部分３０ａに突出部３１ａを持ち、第二の部分３ｂは、第一の部分３ａと対向する部分３０ｂに突出部３１ａ全体に沿った溝部３１ｂを有し、突出部３１ａ全体と溝部３１ｂ全体とが互いに離間している、ワイヤレス電力伝送用コイルユニット１０。【選択図】図２
2015012067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体コアと、
前記磁性体コアの周囲に設けられたボビンと、
前記ボビンに巻回された線材と、を備え、
前記ボビンは、分割された第一の部分と第二の部分とが組み合わされることにより構成されており、
前記第一の部分は、前記第二の部分と対向する部分に突出部を有し、前記第二の部分は、前記第一の部分と対向する部分に前記突出部全体に沿った溝部を有し、
前記突出部全体と前記溝部全体とが互いに離間している、ワイヤレス電力伝送用コイルユニット。
【請求項２】
前記磁性体コアにおける前記第一の部分及び前記第二の部分の双方と対向する面と、前記ボビンにおける前記磁性体コアの前記面と対向する面とが、互いに離間されている、請求項１に記載のワイヤレス電力伝送用コイルユニット。
【請求項３】
前記磁性体コアと前記第一の部分及び前記第二の部分との間に、空気よりも熱伝導率が高く、絶縁性を有し、かつ、弾性変形可能な放熱部材を備える、請求項２に記載のワイヤレス電力伝送用コイルユニット。
【請求項４】
前記磁性体コア、前記磁性体コアの周囲に設けられ且つ前記磁性体コアを内包するボビン、及び前記ボビンに巻回された線材を内部に備える筐体をさらに有し、
前記筐体は、複数の面から構成され、複数の貫通孔を同一面上に有する請求項１〜３のいずれか一項記載のワイヤレス電力伝送用コイルユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス電力伝送用コイルユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電源コードなしで電力を供給するワイヤレス電力伝送技術が注目されつつある。現在のワイヤレス電力伝送技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）（Ｃ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、の３種類に大別できる。
【０００３】
これらの３種類のワイヤレス電力伝送技術のうち、電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、給電側コイルを通る交流が磁界を発生させ、その結果受電側コイルに生じる電圧を利用する送電技術である。この電磁誘導を利用するタイプは、距離を大きくすると電力伝送効率が急激に低下してしまうものの、数ｃｍ程度の近距離であれば、十分な電力伝送効率が得られるうえ、低コストで実現できるため、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されている。
【０００４】
磁場共振現象を利用するタイプ（Ｂ）は、比較的新しい技術であり、一対の自己共振コイルを電磁場において共振させ、電磁場を介して送電するワイヤレス電力伝送技術である。この技術を応用すれば、数ｍ程度の距離であっても、数ｋＷの大電力を高い電力伝送効率で送電させることも可能である。たとえば、電気自動車の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。ワイヤレスであるため完全に絶縁されたシステム構成が可能であり、特に、雨天時の給電に効果的であると考えられる。
【０００５】
ワイヤレス電力伝送装置において、一般的に、コイルユニットを構成する主な部材は、コイルを形成する線材と、磁性体コアと、線材を保持しかつ磁性体コアを固定するボビンである。例えば、特許文献１には、コ字状磁心において、２組を組み合わせることによりなるコイルボビンにて共通磁脚を覆うように嵌合させたコイルを備えた非接触電源装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−９０３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）や磁場の共振現象を利用するタイプ（Ｂ）のワイヤレス電力伝送装置においては、動作原理の違いこそあれコイルに高電圧を負荷して電力を伝送するため、コイルと磁性体コアとの間に所定の絶縁距離（例えば、空間放電が生じないだけの電位差を確保する長さである空間距離や、沿面放電が生じないだけの電位差を確保する長さである沿面距離）を確保する必要がある。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されたコイルは、巻線が分割されたコイルボビンに巻回されたものであるため、巻線を流れる電流が、分割されたコイルボビンの嵌合部に沿ってコイルボビン内部に流れ込み、巻線と磁性体コアとが短絡してしまう問題がある。
【０００９】
また、特許文献１に記載されたコイルボビンは分割されているため、特に嵌合部に外部からの衝撃による応力が集中し易く、場合によってはコイルボビンの破損を招いてしまうという恐れがある。
【００１０】
そこで本発明は、磁性体コアと、磁性体コアの周辺に配置されたコイルを構成する線材等金属材料との絶縁が十分になされ、かつ、外部からの衝撃を緩衝できるワイヤレス電力伝送用コイル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、磁性体コアと、磁性体コアの周囲に設けられたボビンと、ボビンに巻回された線材と、を備え、ボビンは、分割された第一の部分と第二の部分とが組み合わされることにより構成されており、第一の部分は、第二の部分と対向する部分に突出部を有し、第二の部分は、第一の部分と対向する部分に突出部全体に沿った溝部を有し、突出部全体と溝部全体とが互いに離間している、ワイヤレス電力伝送用コイルユニットを提供する。
【００１２】
本発明において、ボビンは、分割された第一の部分と第二の部分とが組み合わされることにより構成されており、第一の部分は、第二の部分と対向する部分に突出部を有し、第二の部分は、第一の部分と対向する部分に突出部全体に沿った溝部を有することにより、磁性体コアと、磁性体コアの周囲に配置される線材等の金属材料との沿面距離を長くできる。また、突出部全体と溝部全体とが互いに離間していることにより、第一の部分と第二の部分との組み合わせ部分へ外部から衝撃が加わった場合にも、その衝撃が突出部に直接作用することを抑制できる。したがって本発明によれば、磁性体コアと線材等の金属材料との間の絶縁が十分になされ安全性を向上できるとともに、外部からの衝撃を緩衝できるワイヤレス電力伝送用コイルユニットを提供することができる。
【００１３】
ここで、本発明において、磁性体コアにおける第一の部分及び第二の部分の双方と対向する面と、ボビンにおける磁性体コアの面と対向する面とが、互いに離間されていることが好ましい。上記構造により、外部から衝撃が加わった場合にも、磁性体コアはボビンから独立して動くことができ、その衝撃が直接に磁性体コアへ作用することを抑制できる。
【００１４】
また、本発明は、磁性体コアとボビンとの間に、空気よりも熱伝導率が高く、絶縁性を有し、かつ、弾性変形可能な放熱部材を備えるとよい。
【００１５】
磁性体コアは、その鉄損により発熱する。磁性体は、一般的に温度特性上、熱により性能が低下する。そこで、磁性体コアの発熱を速やかにボビンの外へ放熱する必要がある。磁性体コアとボビンとの間に隙間が存在する状態では、介在する空気（熱伝導率０．０２５７Ｗ／ｍＫ（２０℃））が媒体となって磁性体コアの熱がボビンに移動する。そこで、空気よりも熱伝導率の高く、かつ、絶縁性を有し、かつ、弾性変形可能な放熱部材にて磁性体コアとボビンとの間を埋めることにより、効率的な放熱を行いつつ、第一の部分と第二の部分とが組み合わされる部分へ外部から衝撃が加わった場合にも、その衝撃が直接に磁性体コアへ作用することをより一層抑制できる。
【００１６】
さらに本発明は、磁性体コア、磁性体コアの周囲に設けられ且つ磁性体コアを内包するボビン、及びボビンに巻回された線材を内部に備える筐体をさらに有し、筐体は複数の面から構成され、複数の貫通孔を同一面上に有するワイヤレス電力伝送用コイルユニットを提供する。
【００１７】
ワイヤレス電力伝送用コイルユニットにおいては、磁性体コアのみならず、線材からも発熱する。本発明においては、筐体が、その内部にボビンに内包された磁性体コア及び線材を備えるため、磁性体コアや線材からの熱を筐体外に排出する必要がある。筐体は、複数の面から構成され、複数の貫通孔を同一面上に有することにより、筐体内部の熱を効率よく放熱することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、磁性体コアと、磁性体コアの周辺に配置されたコイルを構成する線材
等金属材料との絶縁が十分になされたワイヤレス電力伝送用コイル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一実施形態に係るワイヤレス電力伝送用コイル装置の斜視図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の断面図である。
【図４】本発明の第三実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の斜視図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図６】本発明のコイルユニットを電気自動車のワイヤレス電力伝送装置に適用した状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２１】
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態に係るワイヤレス電力伝送用コイルユニットの斜視図である。図２は、本発明の第一実施形に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。図１に示すように、ワイヤレス電力伝送用コイルユニット１０は、磁性体コア２と、磁性体コア２の周囲に設けられたボビン３と、ボビン３に巻回された線材４と、を備える。ボビン３は、分割された第一の部分３ａと第二の部分３ｂとが組み合わされることにより構成されている。
【００２２】
磁性体コア２は、対向する二つの主面を有する平板である。磁性体コア２は、所望の磁気特性の実現容易性及び、所望の形状の成形容易性の観点から、軟磁性体であることが好ましく、軟磁性体粉末を成形したものを用いることができる。軟磁性体として特に制限はないが、透磁率が高く、電気抵抗が高いものが好ましく、高周波領域での渦電流損失が小さい、例えば、マンガン亜鉛フェライト、ニッケル亜鉛フェライト、銅亜鉛フェライト等のフェライトが挙げられる。
【００２３】
本実施形態において、ボビン３は、内側及び外側の形状が、磁性体コア２の形状に沿う。ボビン３の外形形状は、対向する二つの主面を有する平板形状である。ボビン３は、磁性体コア２の側面２Ｓ（二つの主面以外の面）に略平行に配設された部分３０ａ，３０ｂにおいて分割された、第一の部分３ａと第二の部分３ｂとが組み合わされることにより構成されている。第一の部分３ａは、第二の部分３ｂと対向する部分３０ａに突出部３１ａを有する。また、第二の部分３ｂは、第一の部分３ａと対向する部分３０ｂに突出部３１ａ全体に沿った溝部３１ｂを有する。突出部３１ａ全体と溝部３１ｂ全体とは互いに離間している。
【００２４】
ボビン３が上述の構造を有する第一の部分３ａと第二の部分３ｂとから構成されることにより、磁性体コア２と、磁性体コア２の周囲に配置される線材等の金属材料との沿面距離を長くできる。また、第一の部分３ａと第二の部分３ｂとの組み合わせ部分へ外部から衝撃が加わった場合にも、その衝撃が突出部３ａに直接作用することを抑制できる。したがって、磁性体コア２と線材等の金属材料との間の絶縁が十分になされ安全性を向上できるとともに、外部からの衝撃を緩衝することができる。なお、沿面距離は、安全規格（例えば、ＩＥＣ（国際電気標準会議）規格）等により定められた値に基づき決定することができる。
【００２５】
なお、本実施形態において、ボビン３は、磁性体コア２の両端部を除いて、磁性体コア２の周りを囲む。磁性体コア２から生じる熱を効率よく外部へ放熱できるためである。
【００２６】
磁性体コア２のボビン３内部における配置について、磁性体コア２における第一の部分３ａ及び第二の部分３ｂの双方と対向する面２Ｓと、ボビン３における磁性体コアの面２Ｓと対向する面３Ｓとが、互いに離間されている。これにより、第一の部分３ａにおける第二の部分３ｂと対向する部分３０ａと、第二の部分３ｂにおける第一の部分３ａと対向する部分３０ｂにまたがるボビン３の内壁面３Ｓと、磁性体コア２の当該面３Ｓと対向する面２Ｓとによって空間が形成される。ボビン３と磁性体コア２との間にこのような空間が形成されていることにより、外部から衝撃が加わった場合にも、磁性体コア２はボビン３から独立して動くことができ、その衝撃が直接に磁性体コア２へ作用することを抑制できる。
【００２７】
突出部３１ａ及び溝部３１ｂの形状等は特に限定されない。絶縁性をより向上させる観点から、ボビン３の第一の部分３ａが突出部３１ａを複数持っていてもよく、ボビン３の第二の部分３ｂが溝部３１ｂを複数持っていてもよい。
【００２８】
線材４は、ボビン３の外形に沿って螺旋状に巻回される。線材４としては、銅、銀、金、アルミニウム等のワイヤが挙げられる。軽量化の観点では、アルミニウム線、銅クラッドアルミ線等を用いるとよい。軽量化と電気伝導率とを両立する観点では、アルミニウム線の周りに銅を一様に被覆した、銅クラッドアルミ線が好ましい。銅クラッドアルミ線は、多数本を束ね撚り合せたリッツ線として用いるのがよい。
【００２９】
本実施形態において、磁性体コア２は、対向する二つの主面を有する平板であったが、これに限定されない。断面が円形又は楕円形である円柱、断面が三角形の三角柱、或いは、多角形の角柱であってもよい。また、ボビン３も、対向する二つの主面を有する平板であったが、これに限定されない。磁性体コア２と同様の形状を持つものを用いることができる。線材４は、ボビン３の外形に沿って巻回されるため、磁束方向に沿う断面形状を、ボビン３の外形形状に合わせて、円形状、楕円形状、三角形状、多角形状等とすることができる。
【００３０】
本実施形態において、ボビン３は、磁性体コア２内部を透過する磁束の向きに沿う平面によって、二つの部分３ａ，３ｂに分割されているが、切断位置はこれに限られない。例えば、ボビン３を、磁性体コア２内部を透過する磁束の向きに垂直な方向に沿って二つに分割する、具体的には、ボビン３が、二つの主面上それぞれにおいて二つに分割されていても、同様の効果が得られる。
【００３１】
［第二実施形態］
図３は、本発明の第二実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の断面図である。本実施形態においては、第一実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置１０において、二つに分割されたボビン３の第一の部分３ａ及び第二の部分３ｂと、磁性体コア２とによって形成された空間に、空気よりも熱伝導率が高く、絶縁性を有し、かつ、弾性変形可能な放熱部材５を備えた形態である。放熱部材５を設けることにより、より一層、絶縁性及び耐衝撃性を向上させることができる。上記放熱部材５は、ボビン３の内壁面において、第一の部分３ａの有する側面３ａＳと、第二の部分３ｂの有する側面３ｂＳとが接触する部分を接合するように設けることが好ましい。
【００３２】
磁性体コア２とボビン３との間に隙間が存在する状態では、介在する空気（熱伝導率０．０２５７Ｗ／ｍＫ（２０℃））が媒体となって磁性体コア２の熱がボビン３に移動する。そこで、空気よりも熱伝導率の高い絶縁性の放熱部材５にて隙間を埋めることにより、効率的に放熱することができる。また、放熱部材５は弾性変形可能な部材であるため、第一の部分３ａと第二の部分３ｂとが組み合わされる部分へ外部から衝撃が加わった場合にも、その衝撃が直接に磁性体コア２へ作用することをより一層抑制できる。
【００３３】
放熱部材５は、２０℃における熱伝導率が１以上の部材であることが好ましい。このような部材としては、シリコーン材、ポリイミド材、アクリル材等が挙げられる。
【００３４】
［第三実施形態］
図４は、本発明の第三実施形態に係るワイヤレス電力伝送用コイルユニットの斜視図である。図５は、本発明の第三実施形に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【００３５】
本実施形態は、筐体６の内部に第一又は第二実施形態に係るワイヤレス電力伝送用コイルユニット１０を設けたものである。すなわち、磁性体コア２、磁性体コア２の周囲に設けられ且つ磁性体コア２を内包するボビン３、及びボビン３に巻回された線材４を内部に備える筐体６をさらに有し、複数の面から構成された筐体６は、同一面上に磁性体コア２の内部を透過する磁束の方向に対して垂直方向に、複数の貫通孔７を有する。
【００３６】
第一及び第二実施形態に係るワイヤレス電力伝送用コイルユニット１０においては、磁性体コア２のみならず、線材４からも発熱する。本実施形態に係るワイヤレス電力伝送用コイルユニット４０は、筐体６が、その内部に、ボビン３に内包された磁性体コア２及び線材４を備えるため、磁性体コア２や線材４からの熱を筐体６の外に効率よく排出する必要がある。複数の面から構成された筐体６が、複数の貫通孔７を同一面上に有することにより、筐体内部の熱を効率よく放熱することができる。
【００３７】
筐体６は、その外形形状が、筐体６の内部の形状に沿う形状とすればよい。筐体６は、四角形の六面によって構成される六面体であり、六面体は直方体であることが好ましく、対向する二つの主面を有する平板形状であることがより好ましい。筐体６は、内部の形状を、ワイヤレス電力伝送用コイルユニット１０の外形形状に沿う形状とすればよく、ワイヤレス電力伝送用コイルユニット１０の外形形状に合わせて、例えば、円形状、楕円形状、多角形状等の面で構成された円柱や角柱としてもよい。
【００３８】
複数の貫通孔７は、筐体６の複数の面の少なくとも一つに設けられていれば筐体内部の熱を効率よく放熱することができるが、筐体６内部に対流を発生させ、熱をより一層効率よく放熱する観点から、図４、５に示すように、複数の貫通孔７を筐体６の一面のみに設けることが好ましい。
【００３９】
筐体６の材質は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合合成樹脂(ＡＢＳ)、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）等が挙げられる。
【００４０】
放熱性をさらに向上させる観点から、複数の貫通孔７と対向する位置に、強制空冷用のファンを設置することもできる。
【００４１】
なお、本実施形態において、筐体６は、磁性体コア２の内部を透過する磁束の方向に対して垂直方向に複数の貫通孔７を有しているが、貫通孔が設けられる位置はこれに限定されない。例えば、筐体６が、磁性体コア２内部を透過する磁束の方向に複数の貫通孔７を有していても、同様の効果が得られる。
【００４２】
図６は、本発明に係るコイルユニットを、電気自動車のワイヤレス電力伝送装置に適用した状態を示す概略図である。電気自動車２０は、受電コイル９を含むコイルユニット１と、このコイルユニット１に整流器１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を経由して接続されたバッテリ７とを備えている。
【００４３】
電気自動車２０の下部に配設された給電装置１３は、送電コイル８を含むコイルユニット１と、このコイルユニット１に高周波電力ドライバ１１を経由して接続された交流電源１２を備えている。
【００４４】
受電コイル９は、両端がオープン（非接続）のコイルであり、給電装置１３の送電コイル８と電磁場を介して電力を受電する。
【００４５】
受電コイル９は、送電コイル８との距離や、送電コイル８および受電コイル９のインダクタンスＬに基づいて、送電コイル８と受電コイル９のＱ値（たとえば、Ｑ＞１００）およびその結合度を示す結合係数ｋ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。
【００４６】
このように送電コイル８から受電コイル９に電力が受け渡されるワイヤレス電力伝送装置において、本発明のコイルユニットを用い、送電コイル８と受電コイル９を調整しながら、それらの位置を決定すれば、電力伝送効率にすぐれた電気自動車用のワイヤレス電力伝送装置が実現できる。
【００４７】
なお、本発明のワイヤレス電力伝送用コイルユニットは、電気自動車のほか電車等の他の移動体、家電製品、電子機器、無線通信機器、玩具、といったさまざまな製品、及びこれらの製品に対する給電装置への応用が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１，１０，４０…ワイヤレス電力伝送用コイルユニット、２…磁性体コア、２Ｓ…磁性体コアにおける第一の部分及び第二の部分の双方と対向する面、３…ボビン、３ａ…ボビンの第一の部分、３ｂ…ボビンの第二の部分、４…線材、５…放熱材料、６…筐体、７…貫通孔、８…送電コイル、９…受電コイル、１１…高周波電力ドライバ、１２…交流電源、１３…給電装置、１４…整流器、１５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６…バッテリ、２０…電気自動車、３０ａ…第一の部分における第二の部分３ｂと対向する部分、３０ｂ…第二の部分における第一の部分３ｂと対向する部分、３１ａ…突出部、３１ｂ…溝部、３２Ｓ…ボビンにおける磁性体コアの面と対向する面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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