БЛОК КАТУШКИ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ПОДАЧИ МОЩНОСТИ
COIL UNIT FOR WIRELESS POWER SUPPLY

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к блоку катушки для беспроводной подачи мощности, используемому для беспроводной зарядки аккумулятора, установленного на транспортном средстве.
Уровень техники
[0002] Блок катушки для беспроводной подачи мощности, установленный на транспортном средстве, предпочтительно имеет конструкцию, имеющую полый выступ в поперечном сечении в середине, который представляет собой пространство для установки конденсатора, с тем, чтобы уменьшать полную толщину. Патентный документ 1 описывает блок катушки для беспроводной подачи мощности этого типа. Блок катушки, описанный в патентном документе 1, используется для мобильного телефона, чтобы подавать мощность беспроводным образом, и включает в себя ферритовый материал (магнитное тело), используемый для катушки и имеющий выступ в поперечном сечении в середине, на который намотан провод. Ферритовый материал, если используется в блоке катушки для беспроводной подачи мощности для транспортного средства, неизбежно имеет больший размер по сравнению с размером Ферритового материала для мобильного телефона и может иметь меньшую жесткость поверхности, когда имеет выступ в поперечном сечении.
[0003] Патентный документ 2 описывает блок катушки, включающий в себя множество плоских ферритовых материалов, приводимых в поверхностное соприкосновение, чтобы частично перекрываться друг с другом, так, чтобы полностью определять выступ в поперечном сечении. Однако, поверхностное соприкосновение между ферритовыми материалами может вызывать пробой диэлектрика через зазор, если поверхности в соприкосновении друг с другом будут частично отделены.
Список ссылок
Патентная литература
[0004] Патентный документ 1: Нерассмотренная публикация японской патентной заявки № 2008-294385
Патентный документ 2: Нерассмотренная публикация японской патентной заявки № 2015-106939
Сущность изобретения
[0005] Как описано выше, магнитное тело (ферритовый материал), имеющее выступ, используемое для блока катушки для беспроводной подачи мощности, установленного в транспортном средстве, имеет проблему повреждения внешним напряжением. Кроме того, использование множества ферритовых материалов, приведенных в поверхностное соприкосновение, чтобы предоставлять выступ, имеет проблему возникновения пробоя диэлектрика между поверхностями ферритовых материалов в соприкосновении друг с другом.
[0006] Чтобы решать традиционные проблемы, описанные выше, настоящее изобретение предоставляет блок катушки для беспроводной подачи мощности, имеющий высокую жесткость поверхности ферритов, и устраняющий пробой диэлектрика между контактными поверхностями ферритов.
[0007] Первый аспект настоящего изобретения предоставляет блок катушки для беспроводной подачи мощности, включающий в себя катушку, имеющую полый фрагмент и ось катушки в вертикальном направлении, первое магнитное тело, имеющее отверстие в позиции, соответствующей полому фрагменту катушки, второе магнитное тело, имеющее пластинчатую форму и размещенное в полом фрагменте катушки, и изолирующую пластину, вставленную между первым магнитным телом и вторым магнитным телом.
Преимущества изобретения
[0008] Блок катушки согласно первому аспекту настоящего изобретения имеет высокую жесткость поверхности ферритов и предотвращает или уменьшает пробой диэлектрика между контактными поверхностями ферритов.
Краткое описание чертежей
[0009] Фиг. 1A - это вид снизу блока катушки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 1B - это вид сбоку в разрезе блока катушки согласно первому варианту осуществления.
Фиг. 2A - это вид, иллюстрирующий перекрывающуюся часть между первым ферритом и вторым ферритом.
Фиг. 2B - это вид, иллюстрирующий магнитный поток, протекающий сквозь перекрывающуюся часть между первым ферритом и вторым ферритом, показывающий состояние, в котором ширина перекрытия больше или равна толщине пластины первого феррита.
Фиг. 2C - это вид, иллюстрирующий магнитный поток, протекающий сквозь перекрывающуюся часть между первым ферритом и вторым ферритом, показывающий состояние, в котором ширина перекрытия меньше толщины пластины первого феррита.
Фиг. 3 - это вид, иллюстрирующий напряжение, прикладываемое к изолирующей пластине.
Фиг. 4 - это вид, иллюстрирующий перекрывающуюся часть между первым ферритом и вторым ферритом блока катушки согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 - это вид, иллюстрирующий перекрывающуюся часть между первым ферритом и вторым ферритом блока катушки согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 - это вид, иллюстрирующий перекрывающуюся часть между первым ферритом и вторым ферритом блока катушки согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления
[0010] Далее в данном документе, варианты осуществления согласно настоящему изобретению будут описаны со ссылкой на чертежи.
Первый вариант осуществления
Фиг. 1A - это вид снизу блока катушки для беспроводной подачи мощности (далее в данном документе называемого "блоком катушки") согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, и фиг. 1B - это вид сбоку в разрезе блока катушки. Фиг. 1A - это вид, который виден в направлении, указанном стрелкой A на фиг. 1B. Блок катушки является блоком катушки приема мощности, установленным на базе транспортного средства, чтобы получать мощность, передаваемую со стороны земли.
[0011] Как показано на фиг. 1A и фиг. 1B, блок 101 катушки включает в себя плоскую пластину 13 основания, выполненную из алюминия и прикрепленную к основанию транспортного средства. Блок 101 катушки дополнительно включает в себя первый феррит 11 (первое магнитное тело), имеющий форму пластины и размещенный на нижней стороне пластины 13 основания, и второй феррит 12 (второе магнитное тело), имеющий форму пластины и размещенный на нижней стороне (на одной стороне) первого феррита 11.
[0012] Первый феррит 11 снабжается прямоугольным отверстием 11a в центре, и второй феррит 12 располагается в позиции, соответствующей отверстию 11a.
[0013] Плоская изолирующая пластина 14, включающая в себя изолирующий материал, такой как пластик или полимер, размещается между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12. Катушка 15 с намотанным высокочастотным обмоточным проводом (электрическим проводом) размещается в периферической области первого феррита 11 на нижней стороне. Катушка 15 имеет ось катушки в вертикальном направлении и имеет отверстие в центре. Позиция, в которой второй феррит 12 размещается, соответствует отверстию катушки 15. Катушка 15 соединяется с конденсатором (не показан), чтобы реализовать резонансный контур для приема мощности.
[0014] Блок 101 катушки изготавливается так, что пластина 13 основания, первый феррит 11, изолирующая пластина 14 и второй феррит 12 последовательно размещаются, и катушка 15 дополнительно помещается на них, так, чтобы быть заполненной полимером по всей окружности для скрепления вместе. Блок 101 катушки позиционируется, чтобы быть обращенным к катушке передачи мощности (не показана), размещенной на стороне земли, так что магнитный поток, который выводится от катушки передачи мощности при возбуждении, связывается с катушкой в блоке 101 катушки, таким образом, принимая мощность беспроводным образом.
[0015] <Позиционное соотношение между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12>
Позиционное соотношение между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12 описывается ниже. Второй феррит 12 имеет слегка больший размер по сравнению с отверстием 11a, предусмотренным в центре первого феррита 11. Второй феррит 12 размещается так, что центр соответствует центру отверстия 11a первого феррита 11, так что периферийная область второго феррита 12 перекрывается с круговой частью вокруг отверстия 11a. Перекрывающаяся часть иллюстрируется на фиг. 1B как указанная ссылочным знаком P1.
[0016] Согласно настоящему варианту осуществления, как иллюстрировано на фиг. 2A, ширина YOL перекрытия между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12 задается больше или равной толщине TFe пластины первого феррита 11, как представлено посредством YOL ≥ TFe. Перекрывающаяся часть между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12 предоставляет путь магнитного потока, эквивалентный первому ферриту 11, имеющему толщину TFe пластины, так, чтобы предоставлять возможность сквозного протекания магнитного потока, как иллюстрировано на фиг. 2B. Плотность магнитного потока в первом феррите 11, таким образом, может быть практически выровнена с плотностью магнитного потока в перекрывающейся части. Это может устранять концентрацию магнитного потока, чтобы предотвращать формирование тепла соответствующим образом.
[0017] Если соотношение, которое предоставлено как YOL ≥ TFe, не удовлетворяется, плотность магнитного потока в перекрывающейся части P1 увеличивается, как иллюстрировано на фиг. 2C, вызывая увеличение потери при формировании тепла. Настоящий вариант осуществления удовлетворяет соотношение, которое предоставлено как YOL ≥ TFe, с тем, чтобы устранять такую проблему.
[0018] <Соотношение между шириной перекрытия, толщиной пластины для изолирующей пластины 14 и толщиной пластины для первого феррита 11>
Соотношение между шириной YOL перекрытия, толщиной пластины для изолирующей пластины 14, как указано знаком Tb, и толщиной TFe пластины первого феррита 11, как показано на фиг. 2A, описывается ниже. Изолирующая пластина 14 может вызывать пробой диэлектрика, чтобы вести к возникновению коронного разряда, если напряжение, приложенное между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12, увеличивается. Минимальная толщина Tb0 пластины, достаточная для предотвращения коронного разряда, может быть представлена следующей формулой (1):
Tb0=VLmax/α (1)
где VLmax является приложенным напряжения, а α является пороговым значением (кВ/мм) коронного разряда. Приложенное напряжение VLmax является максимальным напряжением между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12. Настройка толщины Tb пластины для изолирующей пластины 14 больше или равна минимальной толщине Tb0 пластины, как представлено формулой (1), когда приложенное напряжение является VLmax, может устранять возникновение коронного разряда.
[0019] Минимальная ширина YOLmin перекрытия равна толщине TFe первого феррита 11, так как соотношение, которое представлено как YOL ≥ TFe, удовлетворяется, как описано выше. Минимальная ширина YOLmin перекрытия, таким образом, представляется следующей формулой (2):
YOLmin=TFe (2)
Минимальное магнитное сопротивление Rm_min перекрывающей части, которое является магнитным сопротивлением, когда перекрывающая часть имеет минимальную ширину YOLmin (=TFe) перекрытия, представляется следующей формулой (3):
Rm_min=l/(μ · S)=Tb0/(μ · X · TFe) (3)
где l - это расстояние между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12, которое равно толщине пластины для изолирующей пластины 14, μ - это магнитная проницаемость, S - это площадь перекрывающей части, и X - это длина перекрывающей части в глубину в горизонтальном направлении.
[0020] Для использования изолирующей пластины 14, имеющей необязательную толщину Tb пластины, магнитное сопротивление Rm может быть представлено следующей формулой (4):
Rm=Tb/(μ X ⋅ YOL) (4)
где YOL - это ширина перекрытия.
[0021] Чтобы добиваться минимального магнитного сопротивления или менее с помощью изолирующей пластины 14, имеющей необязательную толщину Tb пластины согласно формулам (3) и (4), ширина YOL перекрытия может быть задана, чтобы удовлетворять следующей формуле (5):
YOL ≥ (Tb/Tb0) ⋅ TFe (5)
Ширина YOL перекрытия между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12 определяется в соответствии с толщиной TFe пластины первого феррита 11 и толщиной Tb пластины для изолирующей пластины 14.
[0022] Вышеупомянутое максимальное напряжение VLmax может быть напряжением, прикладываемым к катушке. Например, как иллюстрировано на фиг. 3, напряжение, прикладываемое к катушке, равно 1,5 кВ, которое задается в качестве максимального напряжения VLmax. Когда пороговое значение коронного разряда устанавливается в 3 (кВ/мм), например, минимальная толщина Tb0 пластины для изолирующей пластины 14 приводит в результате к Tb0=0,5 мм в соответствии с формулой (1). Ширина YOL перекрытия, таким образом, может быть вычислена посредством вычитания, в формуле (5), 0,5 для Tb0, фактической толщины пластины для изолирующей пластины 14 для Tb и фактической толщины пластины первого феррита 11 для TFe.
[0023] Результаты работы блока 101 катушки согласно настоящему варианту осуществления описываются ниже. Блок 101 катушки, сконфигурированный, как описано выше, располагается обращенным к блоку катушки передачи мощности на стороне земли, так что магнитный поток, формируемый блоком катушки передачи мощности, связывается с блоком 101 катушки. Магнитный поток затем протекает сквозь перекрывающуюся часть. Ширина YOL перекрытия, заданная больше или равной толщине TFe пластины первого феррита 11, может устранять увеличение плотности магнитного потока, чтобы предотвращать формирование тепла. Первый феррит 11 и второй феррит 12 размещаются с изолирующей пластиной 14, вставленной между ними, с тем, чтобы быть в непосредственном соприкосновении друг с другом. Это также предотвращает формирование тепла вследствие концентрации магнитного поля.
[0024] Настройка толщины Tb пластины для изолирующей пластины 14, чтобы удовлетворять формуле (5), может предотвращать пробой диэлектрика изолирующей пластины 14, чтобы устранять возникновение коронного разряда.
[0025] Блок 101 катушки согласно первому варианту осуществления включает в себя первый феррит 11 и второй феррит 12, который размещается на одной стороне первого феррита 11 в позиции, соответствующей отверстию 11a, и дополнительно включает в себя изолирующую пластину 14, включающую в себя изоляционный материал, такой как полимер, и вставленную между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12. Устранение непосредственного соприкосновения между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12 может предотвращать или уменьшать пробой диэлектрика на контактных поверхностях между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12. Дополнительно, избегание использования полностью интегрированной ферритовой конструкции, как описано в традиционном случае, увеличивает жесткость поверхности каждого феррита.
[0026] Размещение второго феррита 12 частично перекрывающимся с первым ферритом 11 предоставляет возможность протекания магнитного потока сквозь перекрывающуюся часть, с тем, чтобы улучшать эффективность передачи и приема мощности.
[0027] Ширина YOL перекрытия между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12, которая задается больше или равной толщине TFe пластины первого феррита 11, позволяет плотности магнитного потока, протекающего сквозь первый феррит 11, быть практически эквивалентной плотности магнитного потока, протекающего сквозь перекрывающуюся часть, устраняя проблему вызова формирования тепла, чтобы снижать эффективность подачи мощности соответственно.
[0028] Ширина YOL перекрытия между первым ферритом 11 и вторым ферритом 12 задается, чтобы увеличиваться, когда толщина Tb пластины для изолирующей пластины 14 увеличивается, как указано формулой (5), с тем, чтобы предоставлять возможность магнитному потоку протекать насквозь более эффективно.
[0029] В то время как вышеупомянутый вариант осуществления был иллюстрирован со случаем блока катушки приема мощности, установленным на основании транспортного средства, настоящее изобретение не предполагает ограничиваться этим случаем и может быть применено к блоку катушки передачи мощности, расположенному на стороне земли. В таком случае, направление размещения блока катушки, иллюстрированного в первом варианте осуществления, вертикально инвертируется.
[0030] Второй вариант осуществления
Второй вариант осуществления согласно настоящему изобретению описывается ниже. Фиг. 4 - это вид в частичном разрезе блока 102 катушки согласно второму варианту осуществления. Второй вариант осуществления использует высокочастотный многожильный обмоточный провод, составляющий катушку 15, намотанный вокруг второго феррита 12, снабженный оболочкой 22. Изолирующая пластина 14 не помещается на первый феррит 11 на внешней стороне второго феррита 12. Как иллюстрировано на фиг. 4, изолирующая пластина 14 размещается только на верхней поверхности второго феррита 12.
[0031] Такое размещение также предоставляет возможность изолирования катушки 15 без изолирующей пластины 14, размещенной в области, на которую катушка 15 намотана, с тем, чтобы добиваться результатов, аналогичных результатам вышеупомянутого первого варианта осуществления. Эта компоновка является полезной для случая использования покрытого высокочастотного многожильного обмоточного провода для составления катушки 15.
[0032] Третий вариант осуществления
Третий вариант осуществления согласно настоящему изобретению описывается ниже. Фиг. 5 - это вид в частичном разрезе блока 103 катушки согласно третьему варианту осуществления. Третий вариант осуществления отличается от вышеупомянутого первого варианта осуществления в устранении размещения изолирующей пластины 14 в позиции, соответствующей полости первого феррита 11. В частности, изолирующая пластина 14 размещается только в области, в которой первый феррит 11 перекрывается со вторым ферритом 12, и в области на первом феррите 11, на которую намотана катушка 15, в то время как изолирующая пластина 14 не размещается в позиции, соответствующей отверстию 11a. Эта конструкция уменьшает площадь размещения изолирующей пластины 14, уменьшая количество используемого материала соответствующим образом.
[0033] Четвертый вариант осуществления
Четвертый вариант осуществления согласно настоящему изобретению описывается ниже. Фиг. 6 - это вид в частичном разрезе блока 104 катушки согласно четвертому варианту осуществления. Блок 104 катушки согласно четвертому варианту осуществления включает в себя изолирующую пластину 14a, снабженную канавками 21, имеющими дугообразную форму в поперечном сечении, в области, на которую намотана катушка 15. Канавки 21 для намотки катушки 15 формируются на изолирующей пластине 14а, размещенной на поверхности магнитного тела (первого феррита 11). Катушка 15 размещается, чтобы устанавливаться в канавки 21. Изолирующая пластина 14а, снабженная канавками 21 для намотки катушки, таким образом, служит в качестве бобины для удерживания катушки 15.
[0034] Четвертый вариант осуществления, имеющий вышеописанную конструкцию, может также добиваться результатов, аналогичных результатам первого варианта осуществления. Изолирующая пластина 14а, также служащая в качестве бобины, облегчает процесс намотки катушки 15 на поверхность первого феррита 11.
[0035] Альтернативно, высокочастотный многожильный обмоточный провод, составляющий катушку 15, намотанный вокруг второго феррита 12, может быть снабжен оболочкой 22, и первый феррит 11 может быть снабжен на поверхности канавками, так, чтобы устанавливать катушку 15 в канавках. Эта конструкция предоставляет возможность первому ферриту 11 также служить в качестве бобины, с тем, чтобы облегчать процесс намотки катушки 15 на поверхность первого феррита 11.
[0036] В то время как блок катушки для беспроводной подачи мощности согласно настоящему изобретению был описан выше со ссылкой на соответствующие варианты осуществления, которые иллюстрированы на чертежах, следует понимать, что настоящее изобретение не предполагает ограничиваться этими вариантами осуществления, и конфигурации соответствующих элементов могут быть заменены необязательными конфигурациями, имеющими аналогичные функции.
Список ссылочных знаков
[0037] 11 Первый феррит (первое магнитное тело)
11a Отверстие
12 Второй феррит (второе магнитное тело)
13 Пластина основания
14 Изолирующая пластина
15 Катушка
21 Канавка
22 Оболочка
101, 102, 103, 104 Блок катушки.