(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上に設置された第１のコイルと車体下面に設置された第２のコイルとが対向して前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間で非接触給電を行う非接触給電システムであって、
前記第１のコイルおよび前記第２のコイルがいずれもスパイラルコイルであり、
前記第１のコイルおよび前記第２のコイルのうち電力を送電する送電コイルについて、車幅方向からの側面視で前記送電コイルの全体が隠れるように、前記送電コイルに対して車幅方向の両側にフランジが立設されており、
前記フランジにおいて前記送電コイル側の面に非導電性磁性薄膜が形成されており、
前記送電コイルは、磁性体で形成されたコイルコア上に取り付けられ、
前記コイルコアは、前記フランジが設けられる鉄板上に取り付けられ、
前記コイルコアの部分には前記非導電性磁性薄膜が設けられていない一方で、前記鉄板における前記フランジと前記コイルコアとの間の領域には、前記非導電性磁性薄膜が形成されている
ことを特徴とする非接触給電システム。
【請求項２】
前記フランジの突出高さが前記送電コイルの表面の高さと等しい、請求項１に記載の非接触給電システム。
【請求項３】
前記フランジが前記送電コイルの外周を囲む環状のフランジである、請求項１または請求項２に記載の非接触給電システム。
【請求項４】
前記非導電性磁性薄膜が磁性塗料を塗布して形成された塗膜である、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の非接触給電システム。
【請求項５】
前記フランジは、前記送電コイルの車幅方向両側及び車両後方を囲みかつ前記送電コイルの車両前方が開放されたＵ字状またはコ字状をなす、
請求項１または請求項２に記載の非接触給電システム。
【請求項６】
前記フランジは、前記送電コイルの車幅方向両側にのみ設けられている、請求項１または請求項２に記載の非接触給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触給電システムに関し、特に、地上側の１次コイルと車上側の２次コイルとの間で非接触給電を行うプラグインハイブリッド車や電気自動車用の非接触給電システムに好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部電力でバッテリ充電されるプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）では、充電ケーブルの接続作業の煩わしさ、衣服の汚れ、雨天時の不安などから、ワイヤレスでの給電（非接触給電）のニーズが高くなっている。
【０００３】
非接触給電には、地上側の１次コイルと車上側の２次コイルとの間の電磁誘導を利用する電磁誘導式と、磁界共鳴を利用する磁界共鳴式とがある。いずれの方式でも送電コイルから大きな交番磁界が発生し、磁界が人体に与える影響が懸念される。自動車用の非接触給電システムの国際標準化において、車外での交番磁界が国際非電離放射線防護委員会（ＩＣＮＩＲＰ）の一般ガイドライン基準の２７μＴ以下であることが求められる見込みである。
【０００４】
従来、自動車の非接触給電システムにおいて、送電コイルの外周を磁性材で囲んで送電コイルからの漏洩磁界の発生を低減している（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１６６０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非接触給電システムで使用されるコイルのタイプとしてヘリカルコイルとスパイラルコイルがあるが、自動車用の非接触給電システムの国際標準化において、１次コイルおよび２次コイルとしてスパイラルコイルを採用することが決定した。スパイラルコイルは、ヘリカルコイルに比べて漏洩磁界が少ないため、上記基準を満たしやすくなる。しかし、急速充電などで送電パワーを上げると漏洩磁界が大きくなり、上記基準を満たさなくなるおそれがある。また、非接触給電時には地上側の送電コイルは車体で隠されるため、普通車のように車体がある程度大きければ人を送電コイルから一定距離以上遠ざけることができるが、コミューターなどの小型車の場合には車体が小さいため、人を送電コイルから一定距離以上遠ざけることができずに上記基準を満たさなくなるおそれがある。
【０００７】
上記問題に鑑み、本発明は、自動車向けの非接触給電システムにおいて電力伝送効率を良好に保ちつつ車外への漏洩磁界を低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一局面に従った非接触給電システムは、地上に設置された第１のコイルと車体下面に設置された第２のコイルとが対向して第１のコイルと第２のコイルとの間で非接触給電を行う非接触給電システムであって、第１のコイルおよび第２のコイルがいずれもスパイラルコイルであり、第１のコイルおよび第２のコイルのうち電力を送電する送電コイルについて、車幅方向からの側面視で送電コイルの全体が隠れるように、送電コイルに対して車幅方向の両側にフランジが立設されており、フランジにおいて送電コイル側の面に非導電性磁性薄膜が形成されており、送電コイルは、磁性体で形成されたコイルコア上に取り付けられ、コイルコアは、フランジが設けられる鉄板上に取り付けられ、コイルコアの部分には非導電性磁性薄膜が設けられていない一方で、鉄板におけるフランジとコイルコアとの間の領域には、非導電性磁性薄膜が形成されている、というものである。
【０００９】
これによると、送電コイルの周りにフランジを設けることで送電コイルからの漏洩磁界を低減し、さらにフランジにおいて送電コイル側の面（内周面）に非導電性磁性薄膜が形成されていることで、第１のコイルと第２のコイルとの間の電力伝送効率を良好に保つことができる。
【００１０】
好ましくは、フランジを送電コイルの外周から７５ｍｍ程度離れた位置に立設する。また、非導電性磁性薄膜の比透磁率を５０程度にする。また、フランジの突出高さを送電コイルの表面の高さと等しくする。
【００１１】
これらによると、漏洩磁界の低減および電力伝送効率の向上の両者をバランスよく実現することができる。
【００１２】
フランジが送電コイルの外周を囲む環状のフランジであってもよい。
【００１３】
これによると、送電コイルの側面全方向への漏洩磁界を低減することができる。
【００１４】
非導電性磁性薄膜が磁性塗料を塗布して形成された塗膜であってもよい。
【００１５】
これによると、フランジの内周面に磁性塗料を塗布するといった簡易な方法で非導電性磁性薄膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、自動車向けの非接触給電システムにおいて電力伝送効率を良好に保ちつつ車外への漏洩磁界を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの概略図
【図２】一例に係る送電コイルの平面図および断面図
【図３】一例に係る受電コイルの平面図および断面図
【図４】フランジに使用される素材別の磁束密度がガイドライン基準以下となるコイル中心から距離のグラフ
【図５】フランジに使用される素材別の電力伝送効率のグラフ
【図６Ａ】送電コイル側のフランジの一例を示す図
【図６Ｂ】送電コイル側のフランジの別例を示す図
【図６Ｃ】送電コイル側のフランジのさらに別例を示す図
【図７】フランジの磁性塗料の比透磁率と磁束密度がガイドライン基準以下となるコイル中心から距離との関係を示すグラフ
【図８】フランジの磁性塗料の比透磁率と電力伝送効率との関係を示すグラフ
【図９】フランジの直径と磁束密度がガイドライン基準以下となるコイル中心から距離との関係を示すグラフ
【図１０】フランジの直径と電力伝送効率との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１９】
なお、発明者らは、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。また、図面に描かれた各部材の寸法、厚み、細部の詳細形状などは実際のものとは異なることがある。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの概略を示す。例えば、本実施形態に係る非接触給電システムは、プラグインハイブリッド車や電気自動車などの自動車１００のバッテリ３０をワイヤレスで充電する磁界共鳴式の非接触給電システムである。
【００２１】
本実施形態に係る非接触給電システムにおいて、地上に地上装置２００および送電ユニット６０が設置されている。自動車１００と地上装置２００とは無線３００により通信できるようになっている。自動車１００は、バッテリ３０の充電量を判断し、地上装置２００に対して無線３００を通じて適宜給電の開始／停止を要求する。地上装置２００は、自動車１００からの要求に従って自動車１００への電気エネルギーの供給／停止をコントロールする。
【００２２】
自動車１００へ電気エネルギーを供給する場合、地上装置２００は、商用電力（ＡＣ電源）から８５ｋＨｚ帯（８１．３８ｋ〜９０ｋＨｚ）の３ｋＷクラスの高周波電流を生成する。地上装置２００が生成した高周波電流はケーブル２０１を通じて送電ユニット６０に通電される。送電ユニット６０には図略の送電コイル（１次コイル）が収容されており、当該送電コイルに高周波電流が通電されることで送電ユニット６０に強力な磁界が発生する。
【００２３】
一方、自動車１００において、車体下面に受電ユニット１０が設置されている。バッテリ３０を充電する場合、受電ユニット１０が送電ユニット６０と上下に対向する位置に来るように自動車１００を移動させる。受電ユニット１０と送電ユニット６０とのギャップは１００〜１６０ｍｍである。
【００２４】
受電ユニット１０には図略の受電コイル（２次コイル）およびコンデンサからなる共振回路が収容されており、当該受電コイルが送電ユニット６０で発生した磁界に晒されることで当該共振回路が共鳴して受電ユニット１０に高周波電流が発生する。受電ユニット１０に発生した高周波電流は整流器２０により直流電流に変換されてバッテリ３０に充電される。このように、本実施形態に係るシステムでは、地上装置２００から自動車１００へ磁界共鳴によりワイヤレスで電気エネルギーが供給される。
【００２５】
バッテリ３０にはインバータ４０が接続されている。自動車１００を走行させる場合、インバータ４０がバッテリ３０に蓄電された直流電流を交流電流に変換して自動車１００の動力源である電動モータ５０を駆動する。
【００２６】
図２は、一例に係る送電コイルの平面図および断面図である。送電ユニット６０には送電コイル６１が収容されている。送電コイル６１は、直径５．４ｍｍの絶縁被覆電線６２を円形の渦巻き状に２段８回巻きしたスパイラルコイルであり、外径は３５０ｍｍ、内径は２６０ｍｍである。送電コイル６１は、フェライトなどの磁性体で形成された円盤状のコイルコア６３上に取り付けられている。コイルコア６３の直径は４００ｍｍである。コイルコア６３は鉄板６４に取り付けられている。
【００２７】
送電コイル６１の側面方向への漏洩磁界を低減するために、送電コイル６１の外周から７５ｍｍ程度離れた位置において送電コイル６１の外周を取り囲むように、厚さ数ｍｍの鉄板でできた環状のフランジ６５が設けられている。フランジ６５の直径は５００ｍｍである。なお、フランジ６５は、鉄板６４と一体成形されてもよいし、あるいは、溶接やネジ止めなどで鉄板６４に取り付けられてもよい。
【００２８】
送電コイル６１の側面方向への漏洩磁界の低減という観点から、フランジ６５の突出高は、側面視で送電コイル６１の全体が隠れるような高さとする。ここで、送受電コイル間距離をできるだけ短くした方が電力伝送効率を高くすることができ、また、漏洩磁界を抑制することもできるため、送電ユニット６０において送電コイル６１の表面よりも突出する部材を設けないことが望ましい。したがって、フランジ６５の突出高は最大限高くしても送電コイル６１の表面の高さ程度にすることが適当である。
【００２９】
フランジ６５の内周面に磁性塗膜６６が形成されている。磁性塗膜６６は、フェライトなどの磁性体を微小な粒もしくは磁性体片にしたものを含む塗料（磁性塗料）を厚さ数ｍｍに塗布して形成することができる。磁性塗膜６６は、高透磁率および高電気抵抗という特徴を有し、磁束を吸収するとともに渦電流による損失を抑制することができる。すなわち、フランジ６５の内周面に磁性塗膜６６を形成することにより、フランジ６５に渦電流が発生するのを抑制して電力伝送効率を良好に保つことができる。
【００３０】
なお、コイルコア６３で覆われていない鉄板６４の表面にも磁性塗膜６６を形成してもよい。これにより、鉄板６４に渦電流が発生するのを抑制して電力伝送効率を向上させることができる。
【００３１】
図３は、一例に係る受電コイルの平面図および断面図である。受電ユニット１０には受電コイル１１が収容されている。受電コイル１１は、直径５．４ｍｍの絶縁被覆電線１２を円形の渦巻き状に１段８回巻きしたスパイラルコイルであり、外径は３５０ｍｍ、内径は２６０ｍｍである。受電コイル１１は、フェライトなどの磁性体で形成された円盤状のコイルコア１３上に取り付けられている。コイルコア１３の直径は４００ｍｍである。コイルコア１３は自動車１００の下面のアンダーカバーを構成する鉄板１４に取り付けられている。
【００３２】
基本的に非接触給電システムでは地上装置２００から自動車１００へワイヤレスで電気エネルギーが供給されるが、逆に、自動車１００で生成した電力を地上装置２００へワイヤレスに伝送することもある。この場合、受電コイル１１および送電コイル６１の役割が入れ替わり、受電コイル１１が送電コイルとして機能し、送電コイル６１が受電コイルとして機能する。したがって、受電コイル１１についても側面方向への漏洩磁界を低減する必要がある。
【００３３】
受電コイル１１の側面方向への漏洩磁界を低減するために、受電コイル１１の外周から７５ｍｍ程度離れた位置において受電コイル１１の外周を取り囲むように、厚さ数ｍｍの鉄板でできた環状のフランジ１５が設けられている。フランジ１５の直径は５００ｍｍである。なお、フランジ１５は、鉄板１４と一体成形されてもよいし、あるいは、溶接やネジ止めなどで鉄板１４に取り付けられてもよい。
【００３４】
受電コイル１１の側面方向への漏洩磁界を低減するという観点から、フランジ１５の突出高は、側面視で受電コイル１１の全体が隠れるような高さとする。ここで、送受電コイル間距離をできるだけ短くした方が電力伝送効率を高くすることができ、また、漏洩磁界を抑制することもできるため、受電ユニット１０において受電コイル１１の表面よりも突出する部材を設けないことが望ましい。したがって、フランジ１５の突出高は最大限高くしても受電コイル１１の表面の高さ程度にすることが適当である。
【００３５】
フランジ１５の内周面に磁性塗膜６６（図２）と同様の磁性塗膜１６が形成されている。これにより、フランジ１５に渦電流が発生するのを抑制して電力伝送効率を良好に保つことができる。コイルコア１３で覆われていない鉄板１４の表面にも磁性塗膜１６を形成してもよい。これにより、鉄板１４に渦電流が発生するのを抑制して電力伝送効率を向上させることができる。
【００３６】
磁性塗膜１６および上記の磁性塗膜６６は、特許請求の範囲に記載の「非導電性磁性薄膜」の一例である。磁性塗料を塗布することに代えて磁性フィルムなどを貼り付けてもよい。あるいは、メッキや蒸着などの方法で磁性薄膜を形成してもよい。
【００３７】
さらに、磁性塗膜１６は外部環境に晒されるため、磁性塗料に防錆処理を施したり、磁性塗料を塗布した後に磁性塗膜１６の表面に防錆処理を施したりすることが望ましい。
【００３８】
受電コイル１１の形状は送電コイル６１の形状と同じにする必要はない。例えば、受電コイル１１の外径および内径を上記よりも１００ｍｍずつ小さく（外径２５０ｍｍ、内径１６０ｍｍ）してもよい。このように受電コイル１１を小型化することで、受電ユニット１０のコストを低減することができ、また、受電ユニット１０の取り付け作業が容易になる。
【００３９】
送電コイル６１および受電コイル１１ともに円形である必要はない。例えば、送電コイル６１および／または受電コイル１１を車幅方向に長い長円形や楕円形にしてもよい。
【００４０】
次に、フランジ１５およびフランジ６５に使用する素材の最適選択について説明する。図２の送電コイル６１と図３の受電コイル１１とを１５０ｍｍ隔てて対向させて送電コイル６１に８５ｋＨｚ帯の３ｋＷの高周波電流を通電するという条件でシミュレーションを行った。図４は、フランジに使用される素材別の磁束密度がガイドライン基準（２７μＴ）以下となるコイル中心から距離のグラフである。ここでいうコイル中心とは送電コイル６１の中心である。コイル中心からの距離が短いほど漏洩磁界が低減できていると言える。図５は、フランジに使用される素材別の電力伝送効率のグラフである。なお、いずれのグラフにも比較例としてフランジなしの場合が含まれる。
【００４１】
図４および図５のグラフにおいて、
（１）「フランジなし磁性塗膜なし」は、フランジ１５およびフランジ６５を設けずに、鉄板１４および鉄板６４の表面に磁性塗膜も形成しない場合を表す。
（２）「フランジなし磁性塗膜あり」は、フランジ１５およびフランジ６５を設けずに、鉄板１４および鉄板６４の表面に磁性塗膜を厚さ１ｍｍで形成した場合を表す。
（３）「鉄（磁性塗膜なし）」は、鉄製のフランジ１５およびフランジ６５を設け、磁性塗膜は形成しない場合を表す。
（４）「アルミニウム（磁性塗膜なし）」は、アルミニウム製のフランジ１５およびフランジ６５を設け、磁性塗膜は形成しない場合を表す。
（５）「フェライト（磁性塗膜なし）」は、フェライト製のフランジ１５およびフランジ６５を設け、磁性塗膜は形成しない場合を表す。
（６）「鉄＋磁性塗膜（比透磁率１００）」は、鉄製のフランジ１５およびフランジ６５を設け、その内周面および鉄板１４および鉄板６４の表面に比透磁率が１００の磁性塗膜１６および磁性塗膜６６を厚さ１ｍｍで形成した場合を表す。
（７）「鉄＋磁性塗膜（比透磁率２５０）」は、鉄製のフランジ１５およびフランジ６５を設け、その内周面および鉄板１４および鉄板６４の表面に比透磁率が２５０の磁性塗膜１６および磁性塗膜６６を厚さ１ｍｍで形成した場合を表す。
【００４２】
図４のグラフからわかるように、漏洩磁界の低減に関しては上記（３）（４）（６）（７）が良好であり、コイル中心から４００ｍｍ以上離れた場所において磁束密度をガイドライン基準以下にすることができる。これにより、車幅の短い小型車であっても車外へ漏洩する磁束密度を一般ガイドライン基準以下にすることができる。また、送電パワーが上がって磁束密度がガイドライン基準以下となるコイル中心からの距離が多少延びたとしても、それを車幅内に収めることができる。一方、図５のグラフ、電力伝送効率に関しては上記（２）（４）（５）（６）（７）が良好である。このことから、漏洩磁界の低減および電力伝送効率の両者を満足するのは上記（４）（６）（７）である。ここで、鉄板１４および鉄板６４への取り付けの容易性や一体成形性を考慮すると、フランジ１５およびフランジ６５はアルミニウム製ではなく鉄製であることが好ましく、さらにこの条件を満たすのは上記（６）（７）である。すなわち、上述したように、鉄製のフランジ１５およびフランジ６５の内周面に磁性塗膜１６および磁性塗膜６６を形成することが最適と言える。
【００４３】
フランジ６５およびフランジ１５の形状は環状に限定されない。図６Ａは、送電コイル６１側のフランジ６５の一例を示す図である。例えば、受電ユニット１０が自動車１００の車両後部の左右後輪の間に設置される場合を想定すると、車両前方は車長があるため人を送電コイル６１から一定距離以上遠ざけることができるため、図６Ａに示すようにフランジ６５を平面視でＵ字形にして車両前方部分にフランジを設けなくても車両前方における車外への漏洩磁界は基準以下にすることができると考えられる。図６Ｂは、送電コイル６１側のフランジ６５の別例を示す図である。フランジ６５は平面視でコの字型であってもよい。
【００４４】
図６Ｃは、送電コイル６１側のフランジ６５のさらに別例を示す図である。給電中の自動車１００の後方部分には地上装置２００や壁などがあると車両後方に人が立ち入れないことが想定されるため、車両後方部分のフランジも省略して、図６Ｃに示すようにフランジ６５を車両左右部分のみに設けるようにしてもよい。また、フランジ６５は平面視で直線状にする以外に円弧状にしてもよい。
【００４５】
なお、図示しないが、受電コイル側のフランジ１５についても上記のフランジ６５と同様にさまざまな形状にすることができる。
【００４６】
次に、磁性塗膜１６および磁性塗膜６６に使用する磁性塗料の好適な比透磁率について説明する。上記と同じ条件でシミュレーションを行った。図７は、フランジの磁性塗料の比透磁率と磁束密度がガイドライン基準以下となるコイル中心から距離との関係を示すグラフである。ここでいうコイル中心とは送電コイル６１の中心である。コイル中心からの距離が短いほど漏洩磁界が低減できていると言える。図８は、フランジの磁性塗料の比透磁率と電力伝送効率との関係を示すグラフである。
【００４７】
これらグラフからわかるように、磁性塗料の比透磁率が０から５０程度まで上がるにつれ、漏洩磁界の低減効果は下がるが電力伝送効率は急激に向上する。そして、磁性塗料の比透磁率が５０を超えると電力伝送効率の向上はあまり見られず、漏洩磁界の低減効果もあまり悪化しない。このことから、磁性塗膜６６に使用する磁性塗料の比透磁率は５０程度が好適であると言える。なお、受電コイル側の磁性塗膜１６についても同様のことが言える。
【００４８】
次に、フランジ１５およびフランジ６５の好適な直径（内径）について説明する。上記と同じ条件でシミュレーションを行った。図９は、フランジの直径と磁束密度がガイドライン基準以下となるコイル中心から距離との関係を示すグラフである。ここでいうコイル中心とは送電コイル６１の中心である。コイル中心からの距離が短いほど漏洩磁界が低減できていると言える。図１０は、フランジの直径と電力伝送効率との関係を示すグラフである。
【００４９】
これらグラフからわかるように、電力伝送効率についてはフランジ６５の直径が５００ｍｍ以上であれば十分であり、漏洩磁界の低減についてはフランジ６５の直径が５００ｍｍ以下であればよい。このことから、フランジ６５の直径は５００ｍｍ程度が好適と言える。すなわち、上記のように、フランジ６５を送電コイル６１の外周から７５ｍｍ程度離れた位置に設けるのが好適である。なお、受電コイル側のフランジ１５についても同様のことが言える。
【００５０】
以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
【００５１】
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【００５２】
また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【００５３】
上記では、便宜のため、磁界共鳴式の非接触給電システムを例に本発明における技術を説明したが、本発明は、磁界共鳴式の非接触給電システムに限定されず、電磁誘導式の非接触給電システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１１    受電コイル（第２のコイル）
１５    フランジ
１６    磁性塗膜（非導電性磁性薄膜）
６１    送電コイル（第１のコイル）
６５    フランジ
６６    磁性塗膜（非導電性磁性薄膜）
【図１】
0006684579.tif 000002
【図２】
0006684579.tif 000003
【図３】
0006684579.tif 000004
【図４】
0006684579.tif 000005
【図５】
0006684579.tif 000006
【図６Ａ】
0006684579.tif 000007
【図６Ｂ】
0006684579.tif 000008
【図６Ｃ】
0006684579.tif 000009
【図７】
0006684579.tif 000010
【図８】
0006684579.tif 000011
【図９】
0006684579.tif 000012
【図１０】
0006684579.tif 000013