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JP2017103461A - 非接触給電トランス - Google Patents

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Abstract

【課題】両側巻コイルの巻線で覆われたフェライトコア部分の熱を効果的に放熱することができる非接触給電トランスを提供する。
【解決手段】非接触給電トランスは、二つの磁極部の間に磁極間コア部を有し、前記磁極間コア部の巻回領域に巻線が巻回される両側巻コイルを含み、前記磁極間コア部が、前記二つの磁極部のそれぞれに接続するとともに、相互間に隙間を空けて並行に配置された複数の分離磁性部材と、前記複数の分離磁性部材が形成する平面内で前記分離磁性部材に接するように該分離磁性部材と交互に配置された熱導体と、を備え、前記分離磁性部材で発生した熱が、前記熱導体を通じて前記磁極間コア部の巻回領域の外側に導出され放熱され、前記二つの磁極部の各々が、前記分離磁性部材の各々の両端と別々に接続される前記磁性磁極部材を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車などに非接触で給電する非接触給電トランスに関し、トランスの放熱特性の改善に関する。
電気自動車やプラグインハイブリット車のバッテリーを充電するシステムとして、図１７に示すように、車両の床面に非接触給電トランスの二次側コイル（受電コイル）２０を搭載し、地上側に設置した一次側コイル（送電コイル）１０から電磁誘導を利用して非接触で給電する方式が開発されている。
下記特許文献１には、このシステムに用いる非接触給電トランスの送電コイル１０及び受電コイル２０として、図１８Ａ、図１８Ｂに示すように、平板状のフェライト磁心２１，３１の片面に巻線（電線）を螺旋状に扁平に巻回して構成したものが開示されている。この形態のコイルは、フェライト磁心２１，３１の片側だけに巻線２２，３２が巻かれているので「片側巻コイル」と称する。なお、図１８Ａは、送電コイルおよび受電コイルの断面図であり、図１８Ｂは、送電コイルまたは受電コイルの平面図である。
片側巻コイルを用いる非接触給電トランスは、車両の停車位置がずれて送電コイルと受電コイルとが正対しなかったり、送電コイルと受電コイルとのギャップｇが変動したりすると、給電の効率が大幅に低下する。こうした位置ずれやギャップｇの変動に対する許容量を大きくしようとすると、送電コイル及び受電コイルのサイズｗを大きくする必要がある。
下記特許文献２には、位置ずれやギャップ変動の許容量が大きく、且つ、小型に構成できる非接触給電トランスが開示されている。この非接触給電トランスは、図１９Ａ、図１９Ｂに示すように、フェライトコア６１，６３の周りに巻線６２，６４を巻回して送電コイル及び受電コイルが構成される。このコイルを「両側巻コイル」と称する。また、ここでは、図１９Ｂに示すように、フェライトコア６１，６３として「角型コア」が用いられている。なお、図１９Ａは、送電コイルおよび受電コイルの断面図であり、図１９Ｂは、送電コイルまたは受電コイルの平面図である。
この非接触給電トランスでは、フェライトコア６１，６３の磁極部を通って巡回する主磁束６７が発生する。それとともに、送電コイル、受電コイルの非対向面側に迂回する漏洩磁束６８，６９が生じる。この漏洩磁束６８，６９が車体の床の鉄板等に侵入すると、誘導電流が流れて鉄板が加熱され、給電の効率が低下する。これを避けるため、両側巻コイルを用いる非接触給電トランスでは、送電コイル及び受電コイルの背面にアルミ板等の非磁性良導体から成る電磁遮蔽金属板６５，６６を配置して漏洩磁束６８，６９を電磁遮蔽する必要がある。
また、下記特許文献３には、両側巻コイルの一層の小型軽量化を図るため、図２０Ａ〜図２０Ｆに示すように、フェライトコア４０をＨ字形に構成し、Ｈ字の両側の平行する部分を磁極部４１，４２とし、Ｈ字の横棒に相当する部分４３（磁極部間を繋ぐ部分）に巻線５０を巻回した送電コイル及び受電コイルが開示されている。なお、図２０Ａは、フェライトコア４０に巻線５０が巻回された状態であり、図２０Ｄは、フェライトコア４０に巻線５０が巻回されていない状態である。また、図２０Ｂは、図２０ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図２０Ｃは、図２０ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。同様に、図２０Ｅは、図２０ＤのＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図２０Ｆは、図２０ＤのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
このＨ字形コアを用いた両側巻コイルで構成された送電コイル及び受電コイルを標準ギャップ長７０ｍｍの間隔で対向させて３ｋＷの給電を行った場合、トランスの効率が９５％、左右方向（図２０Ａのｙ方向）の位置ずれ許容量が±１５０ｍｍ、前後方向（図２０Ａのｘ方向）の位置ずれ許容量が±６０ｍｍ、また、標準ギャップ長を１００ｍｍに拡大したときの効率が９２％、という給電特性が得られている。
特開２００８−８７７３３号公報 特開２０１０−１７２０８４号公報 特開２０１１−５０１２７号公報
移動体のバッテリーへの充電では、充電時間を短縮する急速充電が求められており、それに応えるため、大電力給電が可能な非接触給電トランスの開発が進められている。
電磁誘導を利用する移動体の非接触給電システムでは、送電コイルに１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度の高周波電流が流れ、高周波の磁束が発生するため、その磁束が通過する送電コイル及び受電コイルのコア部分では、鉄損により温度が上昇する。
両側巻コイルは、小型化できるが、それに伴って熱容量が小さくなるため、コア部分の鉄損や巻線の銅損により温度が上昇し易い。そのため、大電力給電が可能な両側巻コイルを得るためには、放熱対策が不可欠である。
図２１は、送電コイル及び受電コイルを、Ｈ字形コアを有する１０ｋＷ用の両側巻コイルで構成し、コイルの各部の温度と給電時間との関係について測定した温度上昇試験結果を示している。ここでは、送電コイルの一次側コア、一次側コイル及び一次側アルミ板（図１９に示す磁気遮蔽用のアルミ板である電磁遮蔽金属板６５に相当）、並びに、受電コイルの二次側コア、二次側コイル及び二次側アルミ板（図１９に示す磁気遮蔽用のアルミ板である電磁遮蔽金属板６６に相当）の温度、室温、及び給電の効率を５０分間に渡って測定している。
図２１から明らかなように、受電コイルのコアは、給電開始から５０分後に、１１０℃以上に達している。
こうした高温が続くと、フェライトコアの飽和磁束密度が低下し、巻線（リッツ線）の皮膜が溶ける可能性があり、実用化した際の安全性が低下するおそれがあり対策が必要である。
両側巻コイルの巻線から生ずる熱は、巻線がフェライトコアの表面に現われているため、コイルを収納するケースの一部を熱伝導率の高い材料（例えば、アルミ材）で形成し、このケースを通じて巻線の熱を放熱することが可能である。
しかし、フェライトコアは、図２２に示すように、アルミニウムや銅に比べて熱伝導率が低い上に、巻線に巻かれているため、放熱することが難しい。
一方、片側巻コイルを用いる非接触給電トランスでは、フェライトコアの片側にだけ巻線が配置されるため、フェライトコアの配置されていない側からコアで発熱した熱を直接放熱することが可能である。また、両側巻に比べ大型で熱容量も大きいため、放熱対策は両側巻コイルほど大きな問題にはなっていない。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、両側巻コイルの巻線で覆われたフェライトコア部分の熱を効果的に放熱することができる非接触給電トランスを提供することを目的としている。
本発明の非接触給電トランスは、二つの磁極部の間に磁極間コア部を有し、磁極間コア部の巻回領域に巻線が巻回される両側巻コイルを含み、磁極間コア部が、二つの磁極部のそれぞれに接続するとともに、相互間に隙間を空けて並行に配置された複数の分離磁性部材と、複数の分離磁性部材が形成する平面内で分離磁性部材に接するように該分離磁性部材と交互に配置された熱導体と、を備える。分離磁性部材で発生した熱が、熱導体を通じて磁極間コア部の巻回領域の外側に導出され放熱される。二つの磁極部の各々が、分離磁性部材の各々の両端と別々に接続される磁性磁極部材を有する。
この非接触給電トランスでは、分離磁性部材の発熱が、熱導体を通じて外部に放熱される。
また、本発明の非接触給電トランスでは、磁極間コア部の巻回領域から外れた両端部に、熱導体に密着する熱導体連結部がそれぞれ配置され、熱導体を通じて導出された熱が熱導体連結部を介して放熱されてもよい。
また、本発明の非接触給電トランスでは、二つの磁極部が、磁極部に接続される磁極間コア部の幅よりも長い磁性磁極部材で構成され、磁極間コア部の一方の面の巻回領域から外れた両端部が、磁性磁極部材の長手方向の中間位置にそれぞれ接続され、分離磁性部材の各々と二つの磁性磁極部材とが接続される。また、磁極間コア部の他方の面の巻回領域から外れた両端部には、熱導体に密着する熱導体連結部がそれぞれ配置され、熱導体を通じて導出された熱が熱導体連結部を介して放熱されてもよい。
また、本発明の非接触給電トランスでは、熱導体連結部が、相手コイルとの非対向面側に設置された電磁遮蔽金属板に接続されてもよい。
また、本発明の非接触給電トランスでは、熱導体が、アルミニウムまたは銅の棒状体で構成されてもよい。
また、本発明の非接触給電トランスでは、熱導体がパイプ構造を有し、その中を気体または液体が流れるようにしてもよい。
また、本発明の非接触給電トランスでは、パイプ構造がヒートパイプの一部であってもよい。
また、本発明の非接触給電トランスでは、電磁遮蔽金属板を冷却する放熱フィンまたは送風ファンを設けてもよい。
また、本発明の非接触給電トランスでは、磁極部及び磁極間コア部の磁性体がフェライトで形成されてもよい。
また、磁極部及び磁極間コア部の磁性体の一部にアモルファスコアが用いられてもよい。
また、本発明の非接触給電トランスは、トランスの定格電力を１０ｋＷ以上としてもよい。
本発明により、両側巻コイルの放熱特性の向上を図ることができ、両側巻コイルを用いた小型の急速充電可能な非接触給電トランスが提供できる。
図１は、実施形態に係る非接触給電トランスの両側巻コイルを示す図である。 図２は、図１の両側巻コイルの磁極間コア部を示す図である。 図３は、図１の両側巻コイルのＨ字形コアを示す図である。 図４は、図３のＨ字形コアに熱導体連結部が接続した状態を示す図である。 図５Ａは、図１の両側巻コイルの構成を示す平面図である。 図５Ｂは、両側巻コイルを対向配置した場合の側面図である。 図５Ｃは、両側巻コイルを対向配置した場合を説明する図であり、両側巻コイルの磁気ギャップ長Ｇ２及び巻線間距離Ｇ１を示す図である。 図６は、図１の両側巻コイルにおける熱の流れを模式的に示す図である。 図７は、Ｈ字形コアの磁束の流れを示す図である。 図８は、Ｈ字形コアの漏洩磁束を示す図である。 図９は、分離フェライト部材を有するＨ字形コアの磁束の流れを示す図である。 図１０は、温度測定に用いた非接触給電トランスから巻線と巻枠を取り除いた図である。 図１１Ａは、図１０の非接触給電トランスに巻枠を付けた状態の平面図である。 図１１Ｂは、図１１Ａの側面図である。 図１１Ｃは、図１１Ａの別方向から見た場合の側面図である。 図１２は、実施形態に係る非接触給電トランスの温度変化を示す図である。 図１３は、図１２の温度変化と従来の非接触給電トランスの温度変化とを比較する図である。 図１４は、アルミ材熱導体の有無による定数の変化を示す図である。 図１５Ａは、実施形態に係る両側巻コイルに形成される導電ループを示す図である。 図１５Ｂは、実施形態に係る両側巻コイルにおいて、分割した熱導体を採用した変形例を示す図である。 図１６は、実施形態に係る両側巻コイルにおいて、角型コアを採用した変形例を示す図である。 図１７は、自動車への非接触給電システムを示す図である。 図１８Ａは、従来の片側巻コイルを示す断面図である。 図１８Ｂは、図１８Ａの平面図である。 図１９Ａは、従来の角形コアを用いた両側巻コイルを示す断面図である。 図１９Ｂは、図１９Ａの平面図である。 図２０Ａは、従来のＨ字形コアを用いた両側巻コイルを説明する図であり、巻線が巻かれた状態を示す図である。 図２０Ｂは、図２０ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図２０Ｃは、図２０ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図２０Ｄは、従来のＨ字形コアを用いた両側巻コイルを説明する図であり、巻線が巻かれていない状態を示す図である。 図２０Ｅは、図２０ＤのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図２０Ｆは、図２０ＤのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図２１は、従来の両側巻コイルの温度変化を示す図である。 図２２は、銅、アルミニウム、フェライトの熱伝導率を示す図である。
図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電トランスの構成を模式的に示し、図２、図３、図４は、図１の構成に到る途中の段階の構成を模式的に示している。
この非接触給電トランスは、Ｈ字形状のコアの一部を構成する磁極間コア部１４３に巻線（電線）１５０が巻回された両側巻コイルを含む。巻線１５０は、磁極間コア部１４３の巻回区域１４４に巻回されており、巻回区域１４４から外れた磁極間コア部１４３の端部には巻線が巻かれていない。
磁極間コア部１４３は、図２に示すように、分離磁性部材２４３と熱導体２４４が交互に配置されている。つまり、相互の間に間隔を空けて並行に配置された複数の分離磁性部材２４３（この非接触給電トランスでは磁性体としてフェライトを用いているため、以下「分離フェライト部材」という。）と、端に配置された分離フェライト部材２４３の側面、及び、隣接する分離フェライト部材２４３の両側面と接触するように分離フェライト部材２４３と交互に配置された複数の熱導体２４４とで構成されている。そして、分離フェライト部材２４３及び熱導体２４４が一枚の平板状に組み合わされている。本実施形態では、熱導体２４４の幅を、分離フェライト部材２４３の幅の１／５程度に設定している。
分離フェライト部材２４３は、Ｈ字形状コアの巻線コアとして機能する。一方、熱導体２４４は、熱伝導率が高い例えばアルミニウム材から成り、給電時に分離フェライト部材２４３で発生する熱を、磁極間コア部１４３の巻回区域から外れた端部側にまで導く機能を果たす。
図３に示すように、磁極間コア部１４３の巻回区域１４４から外れた両端部には、磁極部を構成するフェライト磁極部材１８０が下層フェライト板１８１，１８２を介して接続される。フェライト磁極部材１８０の長さは、当該フェライト磁極部材１８０に下層フェライト板１８１，１８２を介して接続される磁極間コア部１４３の幅よりも長く設定されている。また、磁極間コア部１４３は、フェライト磁極部材１８０の中間位置に接続される。並行する２本のフェライト磁極部材１８０と、それらを接続する磁極間コア部１４３とでＨ字形状のコアが形成される。
このＨ字形状コアにおいて、下層フェライト板１８１，１８２は、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、相手コイルと対向する最上部のフェライト磁極部材１８０の高さを、巻線部１５０の高さと同等、またはそれ以上に押し上げるために積層されている。ここで、図５Ａは、両側巻コイルの構成を示す平面図でり、図５Ｂは、図５Ａの両側巻コイルを対向配置した場合の側面図である。また、図５Ｃは、両側巻コイルを対向配置した場合の磁気ギャップ長Ｇ２及び巻線間距離Ｇ１を示す図である。
このように、磁極部のフェライト磁極部材１８０に下層フェライト板１８１，１８２から成る“脚”を付けることで、磁気ギャップ長Ｇ２を巻線１５０の巻線間距離Ｇ１と同等、またはそれ以下に短くすることができる。このように、磁気ギャップ長を短くすると、コイル間の結合係数が高くなり、給電の効率と最大給電電力とが上昇する。
図４に示すように、磁極間コア部１４３に対して、下層フェライト板１８１，１８２を介してフェライト磁極部材１８０が接続される面の反対面には、巻回区域１４４から外れた両端部に、熱導体２４４と密接する熱導体連結部２４５が配置される。この熱導体連結部２４５は、熱導体２４４により伝達された熱を非接触給電トランスの外部に導出する役割を担っている。例えば、熱導体連結部２４５は、送電コイルと受電コイルが対向したときに、非対向面側に配置される電磁遮蔽金属板（図１９の電磁遮蔽金属板６５，６６に相当）に接続される。そして、熱導体２４４から伝達された熱が、熱導体連結部２４５を介して電磁遮蔽金属板に伝わり放熱される。
図６は、熱導体２４４から熱導体連結部２４５を経て電磁遮蔽金属板６５に伝わる熱の流れを模式的に示している。
本実施形態の非接触給電トランスでは、分離フェライト部材２４３と熱導体２４４とを同一平面上に交互に並行に配置して磁極間コア部１４３を構成している。こうした構造の磁極間コア部１４３を採用したのは、次のような理由による。
両側巻コイルのコアの磁束分布を調べると、磁極間コア部を通過する磁束の向きは、一方の磁極部から他方の磁極部に向かって並行している。図７は、Ｈ字形コアを有する両側巻コイルの磁束の流れについて、電磁界解析ソフトを用いて解析した結果を示している。
また、図８は、Ｈ字形コアを有する両側巻コイルが対向したときの漏れ磁束について解析した結果を示している。
ところで、金属は導電性が高いため、コアを通過する磁束やコアから漏れる磁束を遮ると、その金属に渦電流が発生し、渦電流損により給電の効率が低下する。
例えば、磁極間コア部と巻線との間に金属板を配置してコアの熱を引き出そうとすると、図８の丸Ｑで囲んだ部分に現われているように、磁極間コア部のフェライト部材からは真上に向かう漏れ磁束が存在するため、金属板は、この漏れ磁束を遮ることになり、給電の効率が低下する。
これに対して、本実施形態のように磁極間コア部１４３を構成する分離フェライト部材２４３のように、複数のフェライト板を、隙間を空けて並行に配置した場合、この隙間に位置する金属（本実施形態の熱導体２４４）は、漏れ磁束を遮らない。また、図９に示すように、この複数のフェライト板には、一方の磁極部材から他方の磁極部材に向かう並行な磁束が流れており、複数のフェライト板が形成する平面内に金属が位置してもフェライト板を通過する磁束を遮ることはない。
そのため、この非接触給電トランスでは、熱導体２４４を、複数の分離フェライト部材２４３と同一平面上に配置するとともに、複数の分離フェライト部材２４３と並行に配置して、熱導体２４４が、分離フェライト部材２４３を通過する磁束や分離フェライト部材２４３から漏れる磁束を遮らないようにしている。
また、磁極間コア部１４３のフェライト磁極部材１８０が接続された面の反対面に配置された熱導体連結部２４５は、複数の分離フェライト部材２４３を通過する磁束がフェライト磁極部材１８０の方に流れるため、その磁束や漏れ磁束を遮ることがない。
この非接触給電トランスの給電時間に伴う温度変化の測定結果について説明する。
図１０は、この測定に用いた非接触給電トランスの巻線及び電磁遮蔽金属板を除いた状態を示している。また、図１１Ａには、電磁遮蔽金属板６５上の非接触給電トランスの平面図を示し、図１１Ｂには、フェライト磁極部材１８０の方向から見た対向する非接触給電トランスの側面図を示している。また、図１１Ｃには、別方向から見た対向する非接触給電トランスの側面図を示している。なお、図１１Ａでは、磁極間コア部が巻枠１５１内に収容された状態を示している。巻枠１５１は、巻線（図示を省略）の巻回領域１４４（図２参照）を規定しており、巻線は、この巻枠１５１の外周に巻回される。なお、図１１Ａ〜図１１Ｃにおいては、フェライト磁極部材１８０、分離磁性部材２４３、熱導体２４４、熱導体連結部２４５等も図示されている。
図１２は本実施形態を適用した場合の温度上昇試験結果である。送電コイルの一次側コアａ、一次側コイルｂ及び一次側遮蔽用アルミ板（電磁遮蔽金属板）ｅ、並びに、受電コイルの二次側コアｃ、二次側コイルｄ及び二次側遮蔽用アルミ板（電磁遮蔽金属板）ｆの温度、室温ｇ、及び給電の効率ｈの変化を１５０分間に渡って測定した結果を示している。
二次側コイルｄは、給電開始から１５０分が経過して１００℃に到達している。図１２の温度変化から見て、各温度は、飽和に近いと思われる。給電の効率は、給電開始直後は９４．０％で、一時間後に９４．６％に上昇している。
図２１に示す放熱対策のない場合の温度上昇試験結果では、僅か５０分で二次側コアの温度が１１０℃に達しているのに対して、本実施形態を適用した場合の図１２の温度上昇試験では、３倍の１５０分を経過しても、最高温度が１００℃程度であり、本実施形態による放熱効果が明らかである。なお両試験ともファンを利用しない自然空冷での結果である。
図１３には、図２１に記載された二次側コアの温度変化ｃ’と図１２に記載された二次側コアの温度変化ｃとを対比して示し、また、図２１に記載された室温の変化ｇ’と図１２に記載された室温の変化ｇとを対比して示している。
図１３から、本実施形態の非接触給電トランスの放熱特性が大幅に改善していることが良く確認できる。
また、図１４は、アルミニウム材を熱導体２４４に用いて、磁極間コア部１４３に分離フェライト部材２４３と熱導体２４４とを交互に配置した非接触給電トランスの定数（アルミニウムあり）と、磁極間コア部１４３に分離フェライト部材２４３のみを間隔を空けて配置した非接触給電トランスの定数（アルミニウムなし）と、コアの磁極間コア部１４３が従来のフェライト部材からなる非接触給電トランスの定数（対策前）とを比較して示している。
コア中にアルミニウム材の熱導体２４４を挿入した影響は、抵抗値（ｒ1，ｒ2）に少し現われているが、その他の定数には殆ど影響が無く、給電の効率ηmaxも殆ど低下しない。
なお、両側巻コイルの磁極間コア部１４３で分離フェライト部材２４３と交互に配置される熱導体２４４は、図１５Ａにおいて、点線で示す（熱導体２４４〜一方の熱導体連結部２４５〜隣の熱導体２４４〜他方の熱導体連結部２４５を巡る）導電ループＬを形成する。この導電ループＬを貫く磁束が存在すると、導電ループＬを流れる電流が発生し、その銅損により給電の効率が低下する虞がある。これを避けるため、図１５Ｂに示すように、二つの熱導体連結部２４５の中間で熱導体２４４を二分割してもよい。二分割された熱導体２４４のそれぞれは、熱導体連結部２４５のいずれかに接続されているため、放熱性能の低下は生じない。
また、熱導体２４４は、熱伝導率が高い銅などで形成してもよい。
また、熱導体２４４は、角型断面の管構造とし、中に気体や液体を循環させて冷却性能を高めるようにしてもよい。また、ヒートパイプ構造とし、循環する液体が高温部で熱を吸収して蒸発し、低温部で熱を放出して液化する、という作用を繰り返すことで、高温部から低温部への熱の移動を効率化してもよい。
また、電磁遮蔽金属板６５，６６の冷却効果を高めるために、放熱フィンや送風ファンを設けて電磁遮蔽金属板６５，６６を冷却するようにしてもよい。
また、上述の説明では、両側巻コイルがＨ字形状のコアを有する場合について説明したが、図１６に示すように、両側巻コイルのコアは角型であってもよい。この場合、両側巻コイルの構成を簡略化することができる。
また、本実施形態ではコアにフェライトを利用する場合について説明したが、非接触給電で用いる周波数において損失の少ない他の磁性体、例えばアモルファス磁性体などをコアの全部または一部に用いてもよい。
上述したように、本実施形態の非接触給電トランスは、二つの磁極部の間に、巻線に覆われた巻回領域を有する磁極間コア部と、磁極間コア部の巻回領域に巻回された巻線とを備える両側巻コイルを含む。そして、磁極間コア部は、二つの磁極部の磁性体（磁性磁極部材）にそれぞれ接続するとともに、相互間に隙間を空けて平行に配置された複数の分離磁性部材（磁極間コア部の磁性体）と、複数の分離磁性部材が形成する平面内で分離磁性部材に接するように分離磁性部材と交互に配置された熱導体と、を備え、分離磁性部材で発生した熱が、熱導体を通じて磁極間コア部の巻回領域の外側に導出され、放熱される。
この非接触給電トランスでは、巻線に覆われた分離磁性部材の発熱が、熱導体を通じて外部に放熱される。このとき、熱導体あるいは熱導体が構成する導電ループが、分離磁性部材を通過する磁力線や分離磁性部材から外部に漏れる磁力線と鎖交すると、熱導体に渦電流が流れて渦電流損が発生し、給電の効率が低下する。そのため、熱導体あるいは熱導体が構成する導電ループが磁力線と鎖交しないように、熱導体と分離磁性部材とを同一平面内で平行に配置している。
また、本実施形態の非接触給電トランスでは、磁極間コア部の巻回領域から外れた両端部に、熱導体に密着する熱導体連結部がそれぞれ配置され、熱導体を通じて導出された熱が熱導体連結部を介して放熱される。つまり、巻線に覆われた分離磁性部材の発熱は、熱導体及び熱導体連結部を介して外部に放熱される。
また、本実施形態の非接触給電トランスでは、二つの磁極部が、磁極部に接続される磁極間コア部の幅よりも長い長さの磁性磁極部材で構成され、磁極間コア部の一方の面の巻回領域から外れた両端部が、磁性磁極部材の長手方向の中間位置にそれぞれ接続され、分離磁性部材の各々と二つの磁性磁極部材とが接続される。また、磁極間コア部の他方の面の巻回領域から外れた両端部には、熱導体に密着する熱導体連結部がそれぞれ配置され、熱導体を通じて導出された熱が熱導体連結部を介して放熱される。
この非接触給電トランスでは、コア部材がＨ字形となるように、磁性磁極部材の長さを磁極間コア部の当接幅よりも長くしている。また、磁性磁極部材を接続した磁極間コア部の面の反対面には、熱導体に密着する熱導体連結部を配置している。こうすることで、磁極間コア部を通過する主磁束が磁性磁極部材の側に向かうため、磁性磁極部材と反対の側に配置した熱導体連結部には、磁力線が鎖交しないので、渦電流損が抑制され、給電の効率の低下が防止できる。
また、本実施形態の非接触給電トランスでは、熱導体連結部を、相手コイルとの非対向面側に設置された電磁遮蔽金属板に接続している。そのため、巻線で覆われた磁極間コア部の発熱は、分離磁性部材に接触する熱導体、熱導体連結部、電磁遮蔽金属板へと導かれて放熱することができる。
また、本実施形態の非接触給電トランスでは、熱導体を、巻回領域から外れた両端部に配置された二つの熱導体連結部の間の中間位置で二分割してもよい。このように、熱導体を分割することにより、磁束に鎖交する熱導体の導電ループの形成が防止できて、給電の効率の低下が抑制できる。
また、本実施形態の非接触給電トランスでは、熱導体を、アルミニウムや銅の棒状体で構成してもよい。アルミニウムや銅は、フェライトの５０〜８０倍の熱伝導率を有しているため、分離磁性部材で発生した熱を効果的に引き出すことができる。
また、本実施形態の非接触給電トランスでは、熱導体にパイプ構造を持たせ、その中を気体または液体が流れるようにしてもよい。このように、パイプ構造の中を熱伝導性に優れた気体や液体を流すことにより、放熱効果を高めることができる。
また、本実施形態の非接触給電トランスでは、熱導体にヒートパイプを用いてもよい。ヒートパイプは、高温部で液体が蒸発し、低温部で蒸気が液化する現象を通じて、高温部から低温部に効率的に熱を移動させることができる。したがって、効率的な放熱ができる。
また、本実施形態の非接触給電トランスでは、電磁遮蔽金属板の冷却効果を高めるため、放熱フィンや送風ファンを設けて電磁遮蔽金属板を冷却するようにしてもよい。このように、電磁遮蔽金属板を冷却することにより、熱導体、熱導体連結部、電磁遮蔽金属板へと導かれる熱の放熱効率を向上させることができる。
また、本実施形態の非接触給電トランスでは、磁極部及び磁極間コア部の磁性体がフェライトで形成されてもよい。また、磁極部及び磁極間コア部の磁性体の一部にアモルファスコアを用いてもよい。また、本実施形態の非接触給電トランスは、トランスの定格電力を１０ｋＷ以上としてもよい。
このように、本実施形態の非接触給電トランスは、高い放熱特性を有しているため、小型であって、且つ、定格電力１０ｋＷ以上の大電力の給電が可能であり、電気自動車やプラグインハイブリット車など、各種の移動体の非接触給電に広く利用することができる。
１０ 送電コイル
２０ 受電コイル
２１ フェライト磁心
２２ 巻線
３１ フェライト磁心
３２ 巻線
４０ フェライトコア
４１ 磁極部
４２ 磁極部
５０ 巻線
６１ フェライトコア
６２ 巻線
６３ フェライトコア
６４ 巻線
６５ 電磁遮蔽金属板
６６ 電磁遮蔽金属板
６７ 主磁束
６８ 漏洩磁束
６９ 漏洩磁束
１４３ 磁極間コア部
１４４ 巻回領域
１５０ 巻線
１５１ 巻枠
１８０ フェライト磁極部材
１８１ 下層フェライト板
１８２ 下層フェライト板
２４３ 分離フェライト部材
２４４ 熱導体
２４５ 熱導体連結部

Claims (11)

  1. 二つの磁極部の間に磁極間コア部を有し、前記磁極間コア部の巻回領域に巻線が巻回される両側巻コイルを含み、
    前記磁極間コア部が、
    前記二つの磁極部のそれぞれに接続するとともに、相互間に隙間を空けて並行に配置された複数の分離磁性部材と、
    前記複数の分離磁性部材が形成する平面内で前記分離磁性部材に接するように該分離磁性部材と交互に配置された熱導体と、
    を備え、
    前記分離磁性部材で発生した熱が、前記熱導体を通じて前記磁極間コア部の巻回領域の外側に導出され放熱され、
    前記二つの磁極部の各々が、前記分離磁性部材の各々の両端と別々に接続される前記磁性磁極部材を有する非接触給電トランス。
  2. 請求項１に記載の非接触給電トランスであって、
    前記磁極間コア部の巻回領域から外れた両端部に、前記熱導体に密着する熱導体連結部がそれぞれ配置され、前記熱導体を通じて導出された熱が前記熱導体連結部を介して放熱される非接触給電トランス。
  3. 請求項２に記載の非接触給電トランスであって、
    前記二つの磁極部が、該磁極部に接続される前記磁極間コア部の幅よりも長い磁性磁極部材で構成され、前記磁極間コア部の一方の面の巻回領域から外れた両端部が、前記磁性磁極部材の長手方向の中間位置にそれぞれ接続され、前記分離磁性部材の各々と二つの前記磁性磁極部材とが接続され、前記磁極間コア部の他方の面の巻回領域から外れた両端部に前記熱導体連結部がそれぞれ配置され、前記熱導体を通じて導出された熱が前記熱導体連結部を介して放熱される非接触給電トランス。
  4. 請求項１または２に記載の非接触給電トランスであって、
    前記熱導体連結部が、相手コイルとの非対向面側に設置された電磁遮蔽金属板に接続されている非接触給電トランス。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の非接触給電トランスであって、
    前記熱導体が、アルミニウムまたは銅の棒状体である非接触給電トランス。
  6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の非接触給電トランスであって、
    前記熱導体がパイプ構造を有し、その中を気体または液体が流れる非接触給電トランス。
  7. 請求項６に記載の非接触給電トランスであって、
    前記パイプ構造がヒートパイプの一部である非接触給電トランス。
  8. 請求項４に記載の非接触給電トランスであって、
    前記電磁遮蔽金属板を冷却する放熱フィンまたは送風ファンが設けられている非接触給電トランス。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の非接触給電トランスであって、
    前記磁極部及び磁極間コア部の磁性体がフェライトである非接触給電トランス。
  10. 請求項１から８のいずれか１項に記載の非接触給電トランスであって、
    前記磁極部及び磁極間コア部の磁性体の一部にアモルファスコアが用いられている非接触給電トランス。
  11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の非接触給電トランスであって、
    トランスの定格電力が１０ｋＷ以上である非接触給電トランス。
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