(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
片面にコイル巻線用の環状溝を有する一対の円盤状磁気コアを、上記環状溝側の面が向かい合うように対向させることにより、一方のコアのコイルから他方のコアのコイルへ磁気結合による電力伝送を行わせるようにした非接触伝送カプラであって、上記環状溝の内側に位置する中足部の径と上記環状溝の幅との差が±２０％以内であることを特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項２】
請求項１の発明において、前記中足部が形成する磁極面積と前記外足部が形成する磁極面積との差が±２０％以内であることを特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発明において、前記磁気コアが円盤状の一体型磁気コアであることを特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の発明において、前記磁気コアが複数の分割コアにより、全体として円盤状の外郭をなすように形成されていることを特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項５】
請求項１、２、４のいずれかの発明において、前記磁気コアが複数の分割コアにより、全体として円盤状の外郭をなすように形成されるとともに、各分割コアの間に扇状の隙間が置かれていることを特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの発明において、前記磁気コアがフェライト磁性材で形成されていることを特徴とする非接触伝送カプラ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかの発明において、前記磁気コアの非対向側コーナ部が面取り形成されていることを特徴とする非接触伝送カプラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は磁気結合方式の非接触伝送カプラに関し、たとえば電気自動車や電気機器への給電や充電を非接触で行うのに利用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車や電気自転車、あるいはその他の電気機器への給電や充電を非接触で行う手段として、磁気結合方式の非接触伝送カプラが提供されている。この非接触伝送カプラは、図５に示すように、巻線用の環状溝を有する円盤状の磁気コア１’を用いて構成することができる。
【０００３】
図５は従来の非接触伝送カプラの構成例を示す。同図において、（Ａ）は磁気コア１’の破断斜視図、（Ｂ）はその平面図、（Ｃ）は上記コア１’を用いた非接触伝送カプラの断面図、（Ｄ）はその等価回路図をそれぞれ示す。同図において、磁気コア１’，１’はそれぞれ、フェライト磁性体等を用いて円盤状に一体形成されている。この円盤状磁気コア１’の片面にはコイルＬ１，Ｌ２を巻線するための環状溝１２が形成され、この環状溝１２を迂回してＵ字状の開磁路が形成されるようになっている。環状溝１２の内側は円形テーブル状の中足部１１となってＵ字状開磁路の一方の磁極面を形成し、その外側は環状の外足部１３となって上記Ｕ字状開磁路の他方の磁極面を形成する。
【０００４】
非接触伝送カプラは、それぞれにコイルＬ１，Ｌ２を巻線した一対の磁気コア１’，１’の磁極面同士を近接対向させることにより、各コア１’，１’がそれぞれに形成する開磁路が互いに間隙（空間磁路）を挟んで結合させられ、環状の閉磁路Ｂを形成する。そして、この閉磁路Ｂにより、一方のコア１’のコイルＬ１から他方のコア１’のコイルＬ２へ交流（高周波）電力の伝送を行わせることができる。この場合、一方のコア１’とコイルＬ１はトランスの一次側に相当する働きをし、他方のコア１’とコイルＬ２はその二次側に相当する働きをする（以上、特開昭２０００−１５０２７３参照）。
【０００５】
上述した非接触伝送カプラにおいて電力の伝送効率を高めるためには、一次側と二次側間の磁気的結合を密にする必要がある。すなわち、一次／二次間にできるだけ高い磁気結合係数を確保する必要がある。そこで、従来は、コア１’の磁極となる部分の面積（磁極面積）をできるだけ大きくすることで、コア１’，１’間の磁気結合を最大化することが行われていた。対向する磁極面積が大きければ、それだけ磁気結合を密にできるからである。このため、上記コア１’，１’は、全体を隙間の無い充実一体構造（いわゆる無垢構造）にするとともに、できるだけ大きな磁極面積を持つように形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の非接触伝送カプラは、一次側と二次側の両コア１’，１’の位置を正確に重ね合わせた場合の磁気結合状態を最適化するように構成されているが、その位置合わせにズレ（横ズレ）が生じた場合に生じる結合係数の低下については、とくに考慮はされていなかった。このため、上記カプラを用いて電気自動車等への給電や充電を非接触で行わせる場合、一次側と二次側の両コア１’，１’を正確に位置合わせする必要があった。しかし、これは非接触伝送カプラの使い勝手を著しく損なう。上記位置合せを正確に行わせるためには、専用の位置決め連結機具を使用することが考えられるが、これだと、通常の接触式コネクタと同じような使い勝手となって、非接触伝送カプラの利点が失われてしまう。
【０００７】
この発明は以上のような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、非接触伝送カプラの一次側と二次側間のコア位置合わせに余裕幅を持たせて使い勝手を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のような解決手段を提供する。すなわち、片面にコイル巻線用の環状溝を有する一対の円盤状磁気コアを、上記環状溝側の面が向かい合うように対向させることにより、一方のコアのコイルから他方のコアのコイルへ磁気結合による電力伝送を行わせるようにした非接触伝送カプラであって、上記環状溝の内側に位置する中足部の径と上記環状溝の幅との差を±２０％以内としたことを特徴とする。
【０００９】
また、上記手段において、上記中足部が形成する磁極面積と、上記環状溝の外側に位置する環状の外足部が形成する磁極面積との差が±２０％以内となるようにすれば、良好な磁路バランスを得てコア損失を最小化することができる。
【００１０】
上記磁気コアは、円盤状の一体型磁気コアであってもよく、また、複数の分割コアにより、全体として円盤状の外郭をなすように形成されていてもよい。さらに、上記磁気コアが複数の分割コアにより、全体として円盤状の外郭をなすように形成される場合は、各分割コアの間に扇状の隙間が置くことができる。この扇状の隙間により、コアを減量することができるとともに、位置ズレ時の磁気結合係数を高く維持する効果を得ることができる。
【００１１】
上記磁気コアはフェライト磁性材で形成することができる。また、上記磁気コアの非対向側コーナ部を面取り形成することにより、コアをさらに減量できるとともに、コア縁端部での折損を生じにくくすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による非接触伝送カプラの一実施例を示す。同図において、（Ａ）は磁気コア１の破断斜視図、（Ｂ）はその平面図、（Ｃ）は上記コア１を用いた非接触伝送カプラの断面図、（Ｄ）はその等価回路図をそれぞれ示す。
【００１３】
同図に示すカプラは、基本的には前述した従来のものと同様、それぞれにコイルＬ１，Ｌ２を巻線した一対の磁気コア１，１の磁極面同士を近接対向させるようにしたものである。各コア１，１がそれぞれに形成する開磁路は、互いに間隙（空間磁路）を挟んで結合させられることにより、環状の閉磁路を形成する。そして、この閉磁路により、一方のコア１のコイルＬ１から他方のコア１のコイルＬ２へ交流（高周波）電力の伝送を行わせるようにしている。
【００１４】
磁気コア１はフェライト磁性体等を用いて円盤状に一体形成されている。この円盤状磁気コア１の片面にはコイルＬ１，Ｌ２を巻線するための環状溝１２が形成され、この環状溝１２を迂回してＵ字状の開磁路が形成されるようになっている。環状溝１２の内側は円形テーブル状の中足部１１となってＵ字状開磁路の一方の磁極面を形成し、その外側は環状の外足部１３となって上記Ｕ字状開磁路の他方の磁極面を形成する。
【００１５】
ここで、図１に示した実施例のカプラは、上記中足部１１の径ａと環状溝１２の幅ｂとがほぼ等しくなるように構成されている。従来においては、一次側と二次側のコアを対向させたときの磁気結合係数を高めるという理由により、磁極面を形成しない環状溝はコイルの巻線スペースとして必要な幅だけしか確保せず、したがって、その幅ｂは中足部の径ａよりもかなり小さかったが（ａ＞ｂ）、図１に示した実施例では、環状溝１２の幅ｂが中足部１１の径ａとほぼ同寸になっている（ａ＝ｂ）。つまり、本発明の非接触伝送カプラでは、コア１の環状溝幅ｂが、従来に比べると、相対的に大幅に拡大されている。
【００１６】
環状溝１２の幅ｂを相対的に大きくすれば、中足部１１の径ａが相対的に小さくなるため、コア１の磁極面積は減少する。この磁極面積の減少は一次／二次間の磁気結合係数を低下させると従来は考えられていたが、本発明者が知得したところによれば、環状溝幅ｂと中足径ａがほぼ等しくなるところでは、磁気結合係数はそれほど低下せず、さらに、一次側と二次側のコア１，１間に位置ズレが生じても、その位置ズレによる磁気結合係数の低下を小さくできることが判明した。すなわち、コア１の環状溝幅ｂと中足径ａをほぼ等しくすることで、非接触伝送カプラの一次側と二次側間のコア位置合わせに余裕幅を持たせて使い勝手を向上させることができる。
【００１７】
図２は、コア１，１の位置ズレに対する磁気結合係数の変化状態をコアの形状ごとに示す。同図に示すように、コア１の環状溝幅ｂが中足径ａに対して狭く形成された従来の非接触伝送カプラは、一次／二次の両コアの位置を正確に重ね合わせたときには比較的高い磁気結合係数を得ることができるが、その位置合わせにズレが生じると、そのズレによって磁気結合係数が急激に低下する。一方、コアの環状溝幅ｂが中足径ａとほぼ同じに形成された本発明の非接触伝送カプラは、コア１，１の位置合わせにズレが生じても、そのズレによる磁気結合係数の低下は比較的緩慢である。これにより、コア１，１の位置合わせに多少のズレが生じても、実用上支障のない磁気結合状態を得て、非接触による電力伝送を高効率に行わせることができる。
【００１８】
この位置ズレに対する磁気結合係数の変化状態は、図２に示すように、コアの中足径ａと環状溝幅ｂがほぼ等しくなるところ（ａ＝ｂ）で最適化されるが、中足径ａと環状溝幅ｂの関係が、ａ＝ｂ±２０％となるところまでは、実用上支障のない位置ズレ許容幅を得られることが判明した。
【００１９】
上述した効果すなわち位置ズレ許容幅が得られる理由としては、たとえば図３に示すように、互いに対向させられた一対のコア１，１のうち、一方のコア１の中足部１１が、位置ズレ（ｈ）によって他方のコア１の環状溝１２を跨ぐ位置に来た場合に、同図中に矢印で示すように、一方のコア１の中足部１１からの磁束Ｂが他方のコア１の外足部１３から中足部１１を通って一方のコア１の中足部１１に戻るような閉磁路が形成されるためと考えられる。このような閉磁路が形成されるようにするためには、一方のコア１の中足部１１が他方のコア１の環状溝１２を跨ぐような寸法関係すなわち中足径ａと環状溝幅ｂがほぼ同じとなるようなコア形状が最適である。
【００２０】
さらに、図１に示した実施例の非接触伝送カプラでは、上述した構成に加えて、コア１の中足部１１が形成する磁極面積（Ｓ１）と環状の外足部１３が形成する磁極面積（Ｓ２）がほぼ等しくなるように構成してある。すなわち、中足部１１の上端面における面積Ｓ１と外足部１３の上端面における面積Ｓ２とがほぼ等しくなるようにする（Ｓ１＝Ｓ２）。これにより、一次側と二次側の両コア１，１が形成する環状閉磁路の断面積が全磁路長にわたって均等化し、閉磁路での磁束分布の変化を小さくすることができる。つまり、閉磁路内での磁束密度のバラツキが小さい良好な磁路ぱバランスを得ることができる。コア損失は磁束密度の約２．４乗に比例して増大することが知られている。したがって、良好な磁路バランス状態を得ることができれば、コア損失を小さくすることができる。さらに、上述したコア形状（ａ＝ｂ±２０％）にした場合、従来のものに比べて、環状溝１２の占める割合が大きくすることができる。したがって、コア１の減量という効果も併せて得ることができる。
【００２１】
中足部１１の面積Ｓ１と外足部１４の面積Ｓ２を等しくするためには、コア１の外径Ｄと中足部１１の径ａを次のように定めればよい。
すなわち、中足部１１の径ａと環状溝１２の幅ｂを等しくした場合（ａ＝ｂ）、中足部１１の面積Ｓ１と外足部１３の面積Ｓ２は、次式（１）（２）によって与えられる。
【００２２】
Ｓ１＝（ａ／２）２・π                      ・・・（１）
Ｓ２＝｛（Ｄ／２）２−（３ａ／２）２｝・π   ・・・（２）
上記式（１）（２）により、Ｓ１＝Ｓ２にするためには、Ｄに対するａを次のように定めればよい。
ａ２／４＝Ｄ２／４−９ａ２／４
１０ａ＝Ｄ２
ａ２＝Ｄ２／１０
ａ＝ｂとすれば、ａとｂはそれぞれ、Ｄ２／１０の平方根となるように設定すればよい。上記式（１）（２）は最適状態を得るための条件であって、実際は、上記式（１）（２）から与えられる数値に対して±２０％くらいまでの誤差を許容しても、ほぼ同様の効果を得られることが判明した。
【００２３】
上述した実施例のカプラでは、円盤状の一体型磁気コアを使用したが、本発明では、図４に示すように、分割形成されたコアの使用も可能である。
【００２４】
図４は本発明による非接触伝送カプラの別の実施例を示す。この実施例の非接触伝送カプラは、同図の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、一次側と二次側の各磁気コア１，１をそれぞれ扇状（開度＝６０度）のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃで形成するとともに、各コア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃの間にそのコア部材と同形の扇状隙間（ｇ＝６０度）を介在させてある。各コア部材１Ａ，１Ｂ，１ＣはそれぞれＵ字状の開磁路を形成すべく、片側面に部分環状溝１２’が形成されている。
【００２５】
一次側のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃと二次側のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃはそれぞれ、開磁面側同士で近接対向させられて環状の閉磁路Ｂを形成することにより、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２間で交流（高周波）の電力伝達を行わせる非接触伝送カプラを形成する。この場合、一次側と二次側の両コア部材１Ａ−１Ａ，１Ｂ−１Ｂ，１Ｃ−１Ｃはそれぞれに対をなして磁気結合されることにより、同図の（Ｄ）または（Ｅ）に示すようなトランス等価回路を形成する。
【００２６】
このようにして、一次側と二次側の各磁気コア１，１を分割形成するとともに、各分割形成部分の間に空間磁路（空間に形成される磁路）を形成する隙間（ｇ）を介在させた非接触伝送カプラが形成されている。この非接触伝送カプラは、上記扇状隙間（ｇ＝６０度）の分だけ、コア１，１の重量を減量させることができる。
【００２７】
各コア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃの非対向側コーナ部はあらかじめ面取り形成されている。符合３はその面取り部を示す。この面取り部３を形成したことにより、コア１，１はさらに軽量化されるとともに、コア縁端部での折損が生じにくくなっている。コア部材は加圧成型および焼成によって製造されるフェライト磁性体が主に使用されるが、このフェライト磁性体は概して脆いため、その製造や運搬あるいは組立時等に縁端部が折損しやすいという難点があるが、上記面取り部３はその折損の予防にも有効である。さらに、大型のフェライトコアは、加圧成型時の加圧を均一に行うことが難しいとともに、焼成時に亀裂が生じやすいといった製造上の困難があるが、これらの困難は、上述のようにコアを分割形成することによって解消することができる。
【００２８】
さらに、一次側と二次側の各磁気コア１，１が分割形成されていると、一次側コア１と二次側コア１間の磁気結合が上下左右の多方向から行われるようになって、一次側と二次側間でのコア１，１の実効的な対向面積が拡大されるとともに、その実効対向面積が位置ズレの場合でも維持されるようになる。つまり、コアの位置ズレによってコア部分が直接対面し合う面積が減少しても、一次側と二次側の磁気的結合を良好に維持することができる。これにより、非接触伝送カプラを、その性能を確保しつつ軽量化させることができるとともに、非接触伝送カプラの一次側と二次側の位置合わせにさらに余裕幅を持たせて、その使い勝手を一層向上させることができる。
【００２９】
本発明における円盤状磁気コア１，１には、上述のように、複数のコア部材１Ａ，１Ｂ，１Ｃを隙間ｇを置きながら全体として円盤状の外郭をなすように形成したコアも含まれる。
【００３０】
以上、本発明をその実施例に基づいて説明したが、本発明は上記以外にも種々の実施形態が可能である。また、本発明は、電力伝送用のカプラ以外に、信号伝送用のカプラとしても利用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、片面にコイル巻線用の環状溝を有する一対の円盤状磁気コアを、上記環状溝側の面が向かい合うように対向させることにより、一方のコアのコイルから他方のコアのコイルへ磁気結合による電力伝送を行わせるようにした非接触伝送カプラにあって、上記環状溝の内側に位置する中足部の径と上記環状溝の幅とをほぼ同寸とする構成により、非接触伝送カプラの一次側と二次側間のコア位置合わせに余裕幅を持たせて使い勝手を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による非接触伝送カプラの一実施例を示す図である。
【図２】コアの位置ズレに対する磁気結合係数の変化状態を示す特性図である。
【図３】位置ズレが生じたときの磁気結合状態を示す図である。
【図４】本発明による非接触伝送カプラの別の実施例を示す図である。
【図５】従来の非接触伝送カプラの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１  磁気コア（本発明）
１’  磁気コア（従来）
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  分割コア部材
１１  中足部
１２  環状溝
１２’  部分環状溝
１３  外足部
Ｌ１  一次コイル
Ｌ２  二次コイル
３  面取り部
ａ  中足径
ｂ  環状溝幅
Ｄ  コア外径
Ｂ  磁路
ｇ  コア部材間の隙間
ｈ  位置ズレ
【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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