(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のギャップを介して対向配置される１次コアと２次コアからなるコア構造体を備え、各コアに、それぞれ巻装された１次コイルと２次コイルからなるコイル組として、内側コイル組とこの内側コイル組の外側に配置される少なくとも１組の外側コイル組を備えることにより、内側と外側の１次コイルを同じ位相で通電した場合に、各１次コイルの通電によりコア構造体にそれぞれ発生する磁束が、部分的に打ち消し合うように構成された分離型トランスに対し、各１次コイルを通電して、各２次コイルから負荷に電力を供給する分離型トランスの電力伝送方法であって、各１次コイルに対する通電の位相を異ならせることにより、内側と外側の１次コイルを同じ位相で通電した場合よりも大きな電力が分離型トランスを介して伝送されることを特徴とする分離型トランスの電力伝送方法。
【請求項２】
所定のギャップを介して対向配置される１次コアと２次コアからなるコア構造体を備え、各コアに、それぞれ巻装された１次コイルと２次コイルからなるコイル組として、内側コイル組とこの内側コイル組の外側に配置される少なくとも１組の外側コイル組を備えることにより、内側と外側の１次コイルを同じ位相で通電した場合に、各１次コイルの通電によりコア構造体にそれぞれ発生する磁束が、部分的に打ち消し合うように構成された分離型トランスに対し、各１次コイルを通電して、各２次コイルから負荷に電力を供給する分離型トランスの電力伝送装置であって、各１次コイルに対する通電の位相を異ならせる位相調整手段を設けることにより、内側と外側の１次コイルを同じ位相で通電した場合よりも大きな電力が分離型トランスを介して伝送されることを特徴とする分離型トランスの電力伝送装置。
【請求項３】
前記コイル組の個数は２組であり、前記内側と外側のコイル組は同心状に配置されることを特徴とする請求項２記載の分離型トランスの電力伝送装置。
【請求項４】
前記位相調整手段は、前記内側の１次コイルと前記外側の１次コイルに供給される電圧又は電流の位相差を１８０度近辺に調整することを特徴とする請求項３記載の分離型トランスの電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分離型トランスを介して上記トランスの一方の側から他方の側に電力を供給する分離型トランスの電力伝送方法及びその装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
従来、電力や信号を電線や嵌合式のコネクタで伝送する場合、回転体への接続、接点不良や防水性の不足による信頼性、組み付け性等が問題となる。これらを解決する手段として、電磁誘導現象を用いた非接触の電力伝送装置がある。
このような電力伝送装置には、例えば図７に示すような薄型の分離トランス１０を用いて大量の電力を非接触伝送するものがある。分離トランス１０は、所定間隔のギャップＧを介して対向配置される磁性コア１１，１２と、各コア１１，１２にそれぞれ巻装されて互いに誘導結合するように配置された１重のコイル１３，１４を有し、例えば１次側コイル１３の電流（以下、「１次電流」という）によって磁性コアが磁化される。この１次電流が時間的に変動すると、磁界も変動し、それによって２次側コイル１４を貫く磁束Ｂ・Ｓも変動して２次側コイル１４に誘導起電力Ｅ＝｜−ｄ（Ｂ・Ｓ）／ｄｔ｜が生じ、パワーが伝送される。なお、Ｂは磁束密度であり、Ｓは磁界の流れに対して垂直なコア（ギャップを含む）の断面積（磁気回路の断面積）である。
【０００３】
ここで１次電流を増すと、図８に示すように、当初は直線的に磁束密度も増加し、２次側コイルへの誘導起電力も増加する。しかしながら電流量が増えると、磁束密度が飽和するため、誘導起電力も低下する。そこで、最大伝送電力を上げるためには、断面積Ｓを増やさなくてはならない。しかし、図７に示したコアの場合、背面部（図７中の一点鎖線部分）で２次側コイルを貫く断面積Ｓが小さくなるので、最大伝送電力を大きくするには上記背面部を厚くする必要がある。このため、薄型の分離トランスで大電力を伝送するには限界があった。以下、図７に示した分離型トランスを１重コイル型トランスという。
【０００４】
そこで、従来では、対向する両方のコアに複数のコイルをそれぞれ並列に配置して電力を分散して伝送し、上記１重コイル型トランスより約２倍の電力供給を可能するものもあった（図９参照）。なお、図９は、上記コアのうちの一方のコア１５に２つのコイル１６，１７を並列に配置した平面図を示しており、他方のコアも同様のコイル配置になっている。このような構成では、上記コイル配置のためにトランスの面積が大きくなるので、トランスが占めるスペースが広くなり、例えば車両などの狭い場所で使用する場合には適切ではなかった。なお、以下の図において図９と同様の構成部分については、説明の都合上、同一符号を付記する。
【０００５】
そこで、図１０に示すように、各コア１５及び１８に２組のコイル１６，１９及びコイル１７，２０を巻装させ、かつ一方の組のコイル１７，２０が他方の組のコイル１６，１９の内側に収まるように２重に配置した構成の分離型トランス（以下、「２重コイル型トランス」という）も考えられていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記２重コイル型トランスでは、２組のコイルで同時に電力伝送を行うと、総伝送電力が２倍にならず、１重コイル型トランスでの送電電力に比べてほとんど増加しないという問題点があった。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、複数の組のコイルを有するトランスでの電力供給量を増大させて、効率的な電力伝送を行うことができる分離型トランスの電力伝送装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、所定のギャップを介して対向配置される１次コアと２次コアからなるコア構造体を備え、各コアに、それぞれ巻装された１次コイルと２次コイルからなるコイル組として、内側コイル組とこの内側コイル組の外側に配置される少なくとも１組の外側コイル組を備えることにより、内側と外側の１次コイルを同じ位相で通電した場合に、各１次コイルの通電によりコア構造体にそれぞれ発生する磁束が、部分的に打ち消し合うように構成された分離型トランスに対し、各１次コイルを通電して、各２次コイルから負荷に電力を供給する際に、各１次コイルに対する通電の位相を異ならせることにより、内側と外側の１次コイルを同じ位相で通電した場合よりも大きな電力が分離型トランスを介して伝送されることを特徴とする分離型トランスの電力伝送装置及びその方法が提供される。
【０００８】
すなわち、前記分離型トランスにおける各組のコイルは、一方の組が他方の組の内側に収まるように配置されることで、厚みが薄く、かつ小型のトランス構成が実現されると同時に、磁束の打ち消しあいによるトランス伝送電力の限界を、各１次コイルへの通電位相を異ならせることで打破してトランスの最大伝送電力が増大される。
【０００９】
好ましくは、前記コイル組の個数は２組であり、前記内側と外側のコイル組は同心状に配置される。また、前記位相調整手段は、前記内側の１次コイルと前記外側の１次コイルに供給される電圧又は電流の位相差を１８０度近辺に調整することで、トランスでの総伝送電力量（電力供給量）を最大にする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る分離型トランスの電力伝送装置の一実施形態を図１乃至図６の図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る分離型トランスの電力伝送装置の一実施例の構成を示す回路図である。なお、本発明に係る分離型トランスは、例えば図１０に示した円形薄型の２重コイル型トランスを用いた場合を説明する。図１０の上記トランスでは、２組のコイルは、一方の組のコイル（以下、「内側コイル」という）１７，２０が他方の組のコイル（以下、「外側コイル」という）１６，１９の内側に収まり、かつ同心円上に配置されるとともに、各組のコイル１６と１７及びコイル１８と２０の間の電磁誘導結合を強くするように、コア１５，１８を構成する磁性体が介在するように構成されている。
【００１１】
図１において、内側コイル及び外側コイルのうち、コイル１６，１７の一端には、本発明の電源供給手段３０が接続され、電源供給手段３０から電力が供給されている。コイル１６の他端には、パワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子３１を介して発振回路３２が接続されている。発振回路３２は、所定位相のパルス信号をスイッチング素子３１を介してコイル１６に出力している。コイル１７の他端には、スイッチング素子３３を介して位相差発生回路３４が接続されており、位相差発生回路３４は、発振回路３２と接続されている。位相差発生回路３４は、発振回路３２からのパルス信号の位相を１８０度、すなわち逆位相にしてスイッチング素子３３を介してコイル１７に出力している。
【００１２】
コイル１６と誘導結合されたコイル１９と、コイル１７と誘導結合されたコイル２０には、電力供給によって動作する負荷３５及び３６がそれぞれ接続されており、コイル１６，１７側の電源供給手段３０から、コイル１７，２０側の負荷３５，３６への電力の供給が可能になっている。
本実施例では、発振回路３２でスイッチング素子３１を駆動するとともに、発振回路３２と位相差発生回路３４でスイッチング素子３３を駆動し、２つのコイル１６，１７の電流（又は電圧）の波形の位相差が１８０度になるように電力を供給する（図２参照）。
【００１３】
すなわち、外側コイル１６に電流が流れている間には、内側コイル１７には電流が流れないので、磁力線は、図３（ａ）の点線部に示すように現れ、また内側コイル１７に電流が流れている間には、外側コイル１６に電流が流れないので、磁力線は、図３（ｂ）の点線部に示すように現れる。
図４は、図１に示した電力伝送装置における電力伝送の周波数応答特性を示す図である。図において、Ｐ１は、外側コイル１６，１９の伝送電力を示し、Ｐ２は、内側コイル１７，２０の伝送電力を示し、Ｐ１＋Ｐ２は、電力伝送装置の総伝送電力を示している。
【００１４】
すなわち、本実施例の電力伝送装置では、図４からも明らかなように、外側又は内側コイルにおけるそれぞれの伝送電力Ｐ１，Ｐ２は、同じ厚さの１重コイル型トランス（図７参照）の総伝送電力とほぼ同じ電力量を示しているが、外側及び内側のコイルに出力されるパルス信号の位相差が１８０度ずれているため、外側及び内側の各コイルに生ずる最大磁束密度のタイミングが異なる。その結果としてコイル間のコア部分が非常に有効に使われている。このため、２重コイル型トランスの総伝送電力Ｐ１＋Ｐ２は、同じ厚さの１重コイル型トランスの総伝送電力の２倍近くまで増大されて、効率的な電力伝送を行うことができる。
【００１５】
また、本発明では、一方の組のコイルを他方の組のコイルの内側に収まるように配置したので、並列にコイルを配置した図９のトランスよりもコアの有効利用ができ、これによりトランスを小型化することができる。
また、本発明者らは、外側及び内側コイルに位相差０で電力を供給した場合の実験を行った。図５及び図６は、この場合の鎖交磁束の経路を示すトランスの断面図と、電力伝送の周波数応答特性を示す図である。すなわち、図５（ａ）に示すように、外側及び内側コイル１６，１７に電流が流れない時には、磁力線は現れず、外側及び内側コイル１６，１７に電流が流れている間には、コアのうち内側コイルと外側コイルの間の部分において、各コイルによって生じる磁束の方向が逆であるため、互いに消し合い、等価的に鎖交磁束は、図５（ｂ）の点線部に示すようになる。図に示すように両コイルから生ずる磁束は同時にコアの背面部を通過するようになっている。その背面部のコアの磁束が飽和状態になって、伝送効率が著しく悪化する。
【００１６】
この結果から、位相差０で電力を伝送する場合には、１重コイルの電流を大きくした場合と同じ磁束密度を生ずるので、コアが飽和状態になり、伝送効率が悪化し、総伝送電力は１重コイル型トランスの場合と同じになる（図６参照）。
このことから、パルス信号の位相差が０と１８０度の間にある時、上記総伝送電力の最大値も、位相差が０の時の総伝送電力の最大値と１８０度の時の総伝送電力の最大値の間の値になると考えられる。従って、上記位相を０から１８０度までずらすことによって、トランスの最大伝送電力を変えることが可能となり、このため、例えば上記位相を１８０度近辺にずらしても、大きい電力供給量を得ることができ、効率的な電力伝送を行うことができる。
【００１７】
本発明は、これら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。例えば、本発明に係る分離型トランスは、実施例の同心円上に配置されたコイルを有するものに限らず、一方の組のコイルが他方の組のコイルの内側に収まるように存在したものであればよい。
また、分離型トランスは、２組のコイルを有するものに限らず、それ以上の複数組のコイルを有するものでもよい。
【００１８】
さらに、トランスの小型化が緩和される状況で使用する場合には、各組のコイルが一部重なるように構成された分離型トランスを用いることも可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、所定のギャップを介して対向配置される１次コアと２次コアからなるコア構造体を備え、各コアに、それぞれ巻装された１次コイルと２次コイルからなるコイル組として、内側コイル組とこの内側コイル組の外側に配置される少なくとも１組の外側コイル組を備えることにより、内側と外側の１次コイルを同じ位相で通電した場合に、各１次コイルの通電によりコア構造体にそれぞれ発生する磁束が、部分的に打ち消し合うように構成された分離型トランスに対し、各１次コイルを通電して、各２次コイルから負荷に電力を供給する際に、各１次コイルに対する通電の位相を異ならせることにより、内側と外側の１次コイルを同じ位相で通電した場合よりも大きな電力が分離型トランスを介して伝送されるようにしているので、分離型トランスの小型化を実現しつつ、大きな電力伝送を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る分離型トランスの電力伝送装置の一実施例の構成を示す回路図である。
【図２】図１に示したスイッチング素子への入力信号の波形を示す図である。
【図３】位相差１８０度の場合の動作を説明するため、分離型トランスを断面にして示す正面図である。
【図４】図１に示した電力伝送装置において、位相差１８０度の場合の電力伝送の周波数応答特性を示す図である。
【図５】位相差０の場合の動作を説明するため、分離型トランスを断面にして示す正面図である。
【図６】図１に示した電力伝送装置において、位相差０の場合の電力伝送の周波数応答特性を示す図である。
【図７】従来の分離型トランスを断面にして示す一例の正面図である。
【図８】コアの磁気特性を示す図である。
【図９】従来の分離型トランスの他の例の平面図である。
【図１０】従来及び本発明に使用される分離型トランスを断面にして示す正面図及び平面図である。
【符号の説明】
１０  分離型トランス
１１，１２，１５，１８  コア
１３，１４，１６，１７，１９，２０  コイル
３０  電源供給手段
３１，３３  スイッチング素子
３２  発振回路
３４  位相差発生回路
３５，３６  負荷
Ｇ  ギャップ
Ｐ１，Ｐ２  コイルの伝送電力
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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