特開 2023-72718 ソレノイドコイルユニット及び非接触給電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023072718

(43)【公開日】2023-05-25

(54)【発明の名称】ソレノイドコイルユニット及び非接触給電装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 38/14 20060101AFI20230518BHJP

   H01F 27/255 20060101ALI20230518BHJP

   H01F 27/24 20060101ALI20230518BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20230518BHJP

【ＦＩ】

H01F38/14

H01F27/255

H01F27/24 E

H02J50/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021185322

(22)【出願日】2021-11-14

(71)【出願人】

【識別番号】522355547

【氏名又は名称】Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ 株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100165331

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 智昭

(72)【発明者】

【氏名】木村 孝

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 幹根

(57)【要約】

【課題】位置ずれに対するロバスト性、高い給電効率、軽量化の全てを高い次元で成立させるソレノイドコイルユニットと非接触給電装置を提供する。
【解決手段】ソレノイドコイルユニットは、他のソレノイドコイルに対して、中心軸方向に直交する離間方向に所定の離間距離を隔てて並列に設置されるソレノイドコイルと、前記ソレノイドコイルが巻回された棒状コアと、を備える。前記棒状コアは、前記ソレノイドコイルが巻回された中央部と、前記棒状コアの両端に位置し、前記ソレノイドコイルの両端から延び出ている端部と、を有し、前記中央部の幅に対する長さの比率は２以上であり、前記棒状コアの中心軸に直交する断面は、矩形形状または円形形状の一部を欠損させた形状を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

他のソレノイドコイルユニットと非接触で電力の授受を行うソレノイドコイルユニットであって、
前記他のソレノイドコイルユニットが備える他のソレノイドコイルに対して、中心軸方向に直交する離間方向に所定の離間距離を隔てて並列に設置されるソレノイドコイルと、
前記ソレノイドコイルが巻回され、前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さより長い棒状コアと、
を備え、
前記棒状コアは、前記ソレノイドコイルが巻回された中央部と、前記ソレノイドコイルの両端から延び出ている端部と、を有し、
前記中央部の幅に対する長さの比率は２以上であり、
前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さは、前記離間距離の略２倍であり、
前記棒状コアの中心軸に直交する断面は、矩形形状または円形形状の一部を欠損させた形状を有することを特徴とする、ソレノイドコイルユニット。

【請求項2】

前記棒状コアの前記断面は、矩形形状の少なくとも１つの角部または外周辺の一部を切り欠いた形状、または、円形形状の外周縁の一部を切り欠いた形状を有する、請求項１に記載のソレノイドコイルユニット。

【請求項3】

前記棒状コアの前記断面は、内部の一部を欠損させた孔部を有する矩形形状または円形形状を有する、請求項１または２に記載のソレノイドコイルユニット。

【請求項4】

前記棒状コアの前記断面は、幅方向または厚み方向に対称な形状、または、前記棒状コアの中心軸を中心とする点対称な形状を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のソレノイドコイルユニット。

【請求項5】

前記端部には、前記中央部よりも厚みが小さく、当該端部から張り出している板状の追加磁極部が設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のソレノイドコイルユニット。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のソレノイドコイルユニットである第１のソレノイドコイルユニットと、
前記他のソレノイドコイルユニットである第２のソレノイドコイルユニットと、
を備え、
前記第１と第２のソレノイドコイルユニットの間において相互誘導を生じさせて電力を授受する、非接触給電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、磁界結合によって給電側から受電側に非接触で電力を伝送する非接触給電装置及び、非接触給電装置に用いるソレノイドコイルユニットに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、電子デバイスや電動モビリティ等に対し、ケーブルを用いることなく電力を伝送する、非接触給電装置が注目されている。具体的には、受電側ユニットを搭載した電気自動車などに対し、駐車場に設置された給電側ユニットを用いて非接触で充電したり、或いは走行中に道路側に設置された給電側ユニットを用いて非接触で充電したりすることが可能となる技術である。

【0003】

非接触給電装置に用いられるコイルユニットの方式は、大きく、図１９（Ａ）に示すサーキュラー型と、図１９（Ｂ）に示すソレノイド型に分けることができる。図１９（Ａ）に示すように、サーキュラーコイルユニット１００Ａは円盤状のフェライトコア１０２Ａの片面に同心円上にコイル１０１Ａを巻いた構成を有しており、片側巻方式とも呼ばれる。図１９（Ｂ）に示すように、ソレノイドコイルユニット１００Ｂは平板状のフェライトコア１０２Ｂにコイル１０１Ｂを巻回した構成を有しており、両側巻方式とも呼ばれる。

【0004】

いずれの方式においても、電力を伝送する効率の低下は損失が増えるのみでなく発熱の原因となることから、非接触給電装置としての伝送効率を上げることは極めて重要な課題となる。伝送効率を上げるためには、給電側ユニットと受電側ユニットの間の結合係数ｋを高くし、コイルのＱ値を大きくすることが重要な事項であることが知られている。

【0005】

一般的には、サーキュラーコイルユニットは結合係数ｋが高い反面、給電側ユニットと受電側ユニットの位置ずれに対する許容量が小さい特性がある。一方、ソレノイドコイルユニットは背面に漏れ磁束があり結合係数が若干低くなるものの、位置ずれに対する許容量が大きい特性があるといわれている（特許文献１）。給電側ユニットと受電側ユニットの位置ずれに対する許容量は「ロバスト性」と呼ばれ、非接触給電の社会実装に向けた大きな課題となっている。

【0006】

ハイブリッドカーや電気自動車などの電動モビリティへの非接触給電技術に関しては、将来的には走行中の給電を可能とする技術が必要になると考えられている。走行中給電を想定した場合は、モビリティの前後の移動方向の位置ずれと前後の移動方向に直交する移動方向である横方向への位置ずれの両方に対して、ロバスト性を高く確保することが求められる。

【0007】

図２０に、非特許文献１の図４．２に基づく、Ｈ型コアを用いたソレノイド型とサーキュラー型の各コイルユニットにおけるロバスト性を示すグラフを示す。グラフＨｘ，Ｈｙはそれぞれ、ソレノイド型のコイルユニットについてのｘ方向およびｙ方向への位置ずれによる結合係数の変化を示しており、グラフＣｒは、サーキュラー型のコイルユニットの位置ずれによる結合係数の変化を示している。横軸に示す位置ずれ量が大きくなると、サーキュラーコイルユニットは急激に結合係数が減少して電力伝送ができない状態になる。Ｈ型コアを用いたソレノイドコイルユニットの場合は、ソレノイドコイルの特性により、サーキュラーコイルユニットよりも位置ずれに対するロバスト性は高い。しかしながら、Ｈ型コアの形状の特性上、位置ずれの方向や位置ずれ量によっては、結合係数が著しく低下する場合があり、依然として改良の余地があると言える。

【0008】

また、電動モビリティへの非接触給電を考えた場合、給電側コイルユニットと受電側コイルユニットとの間には車種に応じて１００ｍｍ～２５０ｍｍ程度のギャップが存在することになる。このギャップに対応できるコイルユニットを具体的に設計すると、従来のサーキュラー型やソレノイド型のコイルユニットでは重くなりすぎる問題がある。この点、特許文献１には、コイルユニットの軽量化を目的として、平板状コアのうちコイルが巻回されている被コイル部の幅を、コイルが巻回されていない磁極部の幅より細くしたＨ型コアを採用したソレノイドコイルユニットが開示されている。

【0009】

特許文献１に開示されているＨ型コアを用いると、ソレノイドコイルユニットは、従来の平板状のものよりは軽量化することが可能である。しかしながら、非特許文献２に開示されている実験条件の詳細によると、コイル間のギャップは７０ｍｍ～１００ｍｍ程度で設計されている。これを、給電性能を維持したまま２００ｍｍ程度のギャップに対応させるためには、ソレノイドコイルユニットが大型化する可能性があり、結果として、Ｈ型コアの実用化にはさらなる軽量化が必要となる可能性がある。実際、これまでの実証実験で用いられたコイルユニットの重量は、出力に応じて数十ｋｇから１００ｋｇの重さになっており、モビリティに搭載することは現実的ではないことがわかる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１１－５０１２７号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】山田潤 学位論文「電気自動車用走行中非接触給電に適したコイル形状と共振回路方式の基礎的検討」２０１８年３月 埼玉大学大学院理工学研究科

【非特許文献2】千明、長塚、金子、阿部、保田、鈴木 「新コア構造による電気自動車用非接触給電トランスの小型軽量化」（ＳＰＣ－１１－０４８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

以上のように、特許文献１に開示されているＨ型コアを採用したソレノイドコイルユニットを用いることで、一定の軽量化とロバスト性を実現することができる。しかしながら、これから始まる非接触給電の本格的な社会実装と、走行中給電を見据えたコイル方式の選択を考慮すると、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを満たす状態には達しているとは言ない。

【0013】

本開示の目的は、非接触給電の本格的な社会実装に向けて、「結合係数」、「ロバスト性」、「軽量化」の全てを高い次元で成立させるソレノイドコイルユニットと当該ソレノイドコイルユニットを用いた非接触給電装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上述した課題を解決するための第１の形態は、他のソレノイドコイルユニットと非接触で電力の授受を行うソレノイドコイルユニットとして提供される。この形態のソレノイドコイルユニットは、前記他のソレノイドコイルユニットが備える他のソレノイドコイルに対して、中心軸方向に直交する離間方向に所定の離間距離を隔てて並列に設置されるソレノイドコイルと、前記ソレノイドコイルが巻回され、前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さより長い棒状コアと、を備える。前記棒状コアは、前記ソレノイドコイルが巻回された中央部と、前記ソレノイドコイルの両端から延び出ている端部と、を有し、前記中央部の幅に対する長さの比率は２以上であり、前記ソレノイドコイルの前記中心軸方向の長さは、前記離間距離の略２倍であり、前記棒状コアの中心軸に直交する断面は、矩形形状または円形形状の一部を欠損させた形状を有する。

【0015】

第２の形態においては、前記棒状コアの前記断面は、矩形形状の少なくとも１つの角部または外周辺の一部を切り欠いた形状、または、円形形状の外周縁の一部を切り欠いた形状を有してよい。

【0016】

第３の形態においては、内部の一部を欠損させた孔部を有する矩形形状または円形形状を有してよい。

【0017】

第４の形態においては、前記棒状コアの前記断面は、幅方向または厚み方向に対称な形状、または、前記棒状コアの中心軸を中心とする点対称な形状を有してよい。

【0018】

第５の形態においては、前記端部には、前記中央部よりも厚みが小さく、当該端部から張り出している板状の追加磁極部が設けられていてよい。

【0019】

第６の形態は、非接触給電装置として提供される。この形態の非接触給電装置は、上記のいずれかの形態のソレノイドコイルユニットである第１のソレノイドコイルユニットと、前記他のソレノイドコイルユニットである第２のソレノイドコイルユニットと、を備え、前記第１と第２のソレノイドコイルユニットの間において相互誘導を生じさせて電力を授受する。

【発明の効果】

【0020】

上記第１の形態のソレノイドコイルユニットによれば、他のソレノイドコイルユニットとの間の離間距離が増大しても、棒状コアを離間距離に応じた長さで細長く構成できるため、重量の増大を抑制しながら高い結合係数を得ることができる。また、そのような細長い棒状コアを備えているソレノイドコイルユニットであれば、従来の円盤状コア、平板状コア、Ｈ型コア等を用いた場合よりも位置ずれによる結合係数の低下を抑制でき、高いロバスト性を実現することができる。また、上記第１の形態のソレノイドコイルユニットによれば、棒状コアの一部に欠損させた部位を設けることにより、結合係数の低下を抑制しながら、棒状コアを軽量化でき、ソレノイドコイルユニットを軽量化することができる。よって、上記第１の形態のソレノイドコイルユニットによれば、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを高い次元で成立させることが可能である。

【0021】

上記第２の形態のソレノイドコイルユニットによれば、棒状コアの一部を切り欠くことにより、棒状コアの断面を矩形形状や円形形状で構成した場合に近い結合係数を得ながら、軽量化を実現することができる。

【0022】

上記第３の形態のソレノイドコイルユニットによれば、棒状コアの内部を中空な部位を形成することにより、棒状コアを内部が緻密な矩形柱状や円形柱状に構成した場合に近い結合係数を得ながら、軽量化を実現することができる。

【0023】

上記第４の形態のソレノイドコイルユニットによれば、棒状コアに一部を欠損させた部位を設けたことによる結合係数の低下をさらに抑制することができる。

【0024】

上記第５の形態のソレノイドコイルによれば、追加磁極部を設けることにより、棒状コアの中央部を小型化した場合でも、結合係数を高めることができる。また、追加磁極部は厚みを小さくすることにより軽量化が可能であるため、ソレノイドコイルの重量の増加を抑制しながら結合係数を効果的に高めることが可能である。また、追加磁極部が設けられていれば、他のソレノイドコイルユニットに対する位置ずれによる結合係数の低下を、さらに抑制することができる。よって、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを、より高い次元で成立させることが可能である。

【0025】

上記第６の形態の非接触給電装置によれば、上記形態のソレノイドコイルユニットを備えているため、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを高い次元で成立させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】第１実施形態に係るソレノイドコイルユニットの概略正面図、概略平面図、および、概略側面図。

【図2】棒状コアの中心軸に直交する断面を示す概略断面図。

【図3】第１実施形態に係るソレノイドコイルユニットを用いた非接触給電装置の構成を示す模式図。

【図4】一対のソレノイドコイルユニットで生じる磁束を説明するための模式図。

【図5】ソレノイドコイルの長さと結合係数に関するグラフを示す説明図。

【図6】透磁率と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。

【図7】棒状コアの断面積と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。

【図8】棒状コアの断面積に対する結合係数の割合と棒状コアの断面積との関係を表すグラフを示す説明図。

【図9】棒状コアの幅と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。

【図10】第２実施形態に係るソレノイドコイルユニットの概略正面図、概略平面図、および、概略側面図。

【図11】第２実施形態に係るソレノイドコイルユニットを用いた非接触給電装置の構成を示す模式図。

【図12】追加磁極部の寸法と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。

【図13】追加磁極部の面積と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。

【図14】離間距離と結合係数の関係を表すグラフを示す説明図。

【図15】一対のソレノイドコイルユニットが幅方向に位置ずれしている状態を示す模式図。

【図16】一対のソレノイドコイルユニットが中心軸方向に位置ずれしている状態を示す模式図。

【図17】位置ずれ量と結合係数との関係を表すグラフを示す説明図。

【図18】棒状コアの種々の構成例を説明するための説明図。

【図19】従来の非接触給電装置に用いられるサーキュラー型とソレノイド型のコイルユニットの概略正面図と概略平面図。

【図20】従来のコイルユニットにおけるロバスト性を表すグラフを示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本開示のソレノイドコイルユニット及び非接触給電装置の実施形態を、図を参照して詳細に説明する。

【0028】

１．第１実施形態：
図１に第１実施形態に係るソレノイドコイルユニット５０の概略正面図、概略平面図、および、概略側面図を示す。ソレノイドコイルユニット５０は、ソレノイドコイル１０を備える。

【0029】

図１には、ソレノイドコイル１０の中心軸ＣＸを一点鎖線で図示してある。以下、中心軸ＣＸに沿った方向を単に「中心軸方向」とも呼ぶ。図１には、中心軸方向に相当するｙ方向を示す矢印と、ｙ方向に直交するｘ方向を示す矢印と、ｘ方向およびｙ方向とに直交するｚ方向を示す矢印と、を図示してある。ｘ方向は、中心軸方向と後述する離間方向とに直交する「幅方向」に相当し、ｚ方向は後述する「離間方向」および棒状コア２０の「厚み方向」に相当する。以下において、ソレノイドコイルユニットの寸法に関して、「長さ」と言うときは、ｙ方向における寸法を意味し、「幅」と言うときは、ｘ方向における寸法を意味し、「厚み」というときは、ｚ方向における寸法を意味する。

【0030】

ソレノイドコイル１０は絶縁被覆された電線を螺旋状に密に巻いたもので、電線に電流を流すことによって中心軸方向に磁場を発生させる。磁束の乱れや漏れを極力低減するため、電線は均一かつ規則的に巻回されていることが望ましい。ソレノイドコイル１０の長さはＬである。なお、図では、電線一本一本の表現は省略している。ソレノイドコイル１０における電線の巻回方向は、ｘ方向に沿った方向である。

【0031】

ソレノイドコイルユニット５０は、さらに、ソレノイドコイル１０が巻回されている棒状コア２０を備える。棒状コア２０の中心軸は、ソレノイドコイル１０の中心軸ＣＸに一致し、ｙ方向は、棒状コア２０の長手方向に相当する。以下、棒状コア２０の中心軸についても「中心軸ＣＸ」と呼ぶ。棒状コア２０は、例えば、フェライトなどの強磁性体によって構成される。詳細は後述するが、本実施形態では、棒状コア２０の中心軸CXに直交する断面は、矩形形状の一部を欠損させた形状を有している。

【0032】

棒状コア２０はソレノイドコイルの長さＬより長く作られている。棒状コア２０は、ソレノイドコイル１０に巻回されている中央部２１と、棒状コア２０の両端に位置し、ソレノイドコイル１０の両端から延び出ている端部２２と、を有する。ソレノイドコイル１０の長さはソレノイドコイルの長さＬと一致する。以下、中央部２１の長さについても「Ｌ」と表記する。棒状コア２０の一対の端部２２は、ソレノイドコイルユニット５０の磁極として機能する。

【0033】

なお、図１に示すように、棒状コア２０の厚みｔは、中央部２１の長さＬ、および、棒状コア２０の幅ｗよりも小さい。棒状コア２０の厚みは、特に限定されることはなく、例えば、中央部２１の幅以上であってもよい。

【0034】

図２は、図１に示す２－２切断における棒状コア２０の概略断面図であり、棒状コア２０の中心軸ＣＸに直交する断面を示している。以下、棒状コア２０の断面と言うときは、棒状コア２０の中心軸CXに直交する断面を意味する。本実施形態では、棒状コア２０では、中央部２１の任意の位置における断面はいずれも、図２に示す断面形状を有している。本実施形態の棒状コア２０の断面は、上記のように、矩形形状の一部を欠損させた形状を有している。

【0035】

ここで、「矩形形状」とは、直角四辺形形状に相当し、正方形形状と長方形形状とを含む概念である。また、ある図形形状の「一部を欠損させた形状」とは、少なくとも当該図形形状の全体の５０％以下の領域を当該図形から削除または省略したのに相当する形状を意味する。

【0036】

本実施形態では、棒状コア２０の断面は、矩形形状の少なくとも１つの角部を切り欠いた形状を有する。より具体的には、本実施形態の棒状コア２０の断面は、幅方向を長手方向とする略長方形形状の幅方向に並ぶ２つの角部を切り欠いた略六角形形状を有している。図２では、角部Cを破線で図示してある。

【0037】

棒状コア２０は、第１面２５ａと、第２面２５ｂと、第３面２５ｃと、第４面２５ｄと、２つの傾斜面２６ａ，２６ｂと、を有している。第１面２５ａと第２面２５ｂは、ｘ方向およびｙ方向に平行であり、中心軸ＣＸを挟んでｚ方向に互いに対向する位置にある。第３面２５ｃと第４面２５ｄは、ｙ方向およびｚ方向に平行であり、中心軸ＣＸを挟んでｘ方向に互いに対向する位置にある。第３面２５ｃと第４面２５ｄとは、第２面２５ｂに隣り合う位置にあり、第２面２５ｂに直交している。

【0038】

第１傾斜面２６ａは、第２面２５ｂと第３面２５ｃとの間にあり、ｘ方向およびｚ方向に対して傾斜している。第２傾斜面２６ｂは、第２面２５ｂと第４面２５ｄとの間にあり、ｘ方向およびｚ方向に対して傾斜している。２つの傾斜面２６ａ，２６ｂが形成されている部位は、略長方形形状の断面の角部Cを切り欠いて欠損させた部位に相当する。以下、棒状コア２０において２つの傾斜面２６ａ，２６ｂが形成された部位を「切欠部２８」とも呼ぶ。本実施形態の切欠部２８は、角部を中心軸方向に沿って切り欠いた部位に相当する。

【0039】

本明細書において「切欠部」は、全体から一部を切り欠いたような形状を有している部位を意味しており、全体から一部を欠損させた「欠損部」に相当する。ただし、「切欠部」は、実際の切削加工によって形成される必要はない。「切欠部」には、角部や曲面を切り欠いたような平坦面や、平面や曲面の一部を凹ませたような溝部などの凹部が含まれる。平坦面には平面のみならず曲面も含まれる。棒状コア２０に切欠部２８を設けている理由については後述する。

【0040】

本実施形態の棒状コア２０の断面は、幅方向に対称な形状を有している。また、本実施形態の棒状コア２０の断面の断面積は、切欠部２８を設けていない場合の長方形形状の断面積の０．７倍以下である。

【0041】

第１面２５ａの幅ｗは、上述した棒状コア２０の幅ｗに相当する。第２面２５ｂの幅ｗａは、第１面２５ａの幅ｗよりも小さい。第１面２５ａの幅ｗは、２つの切欠部２８の幅ｗｂと第２面２５ｂの幅ｗａの合計に相当する（ｗ＝２×ｗｂ＋ｗａ）。第１面２５ａの幅ｗａに対する幅ｗｂの割合は０．１以上０．５未満であることが好ましい（０．１≦ｗｂ／ｗａ＜０．５）。本実施形態では、第１面２５ａの幅ｗａに対する幅ｗｂの割合は０．３未満である（ｗｂ／ｗａ＜０．３）。第１面２５ａの幅ｗａに対する幅ｗｂの割合は、０．２未満（ｗｂ／ｗａ＜０．２）、あるいは、０．１未満（ｗｂ／ｗａ＜０．１）であってもよい。他の実施形態では、第１面２５ａの幅ｗａに対する幅ｗｂの割合は、０．３以上であってもよい（ｗｂ／ｗａ≧０．３）。

【0042】

棒状コア２０の厚みｔは、第３面２５ｃおよび第４面２５ｄのｚ方向における寸法ｔａと切欠部２８のｚ方向における寸法ｔｂとの合計に相当する（ｔ＝ｔａ＋ｔｂ）。棒状コア２０の厚みｔに対する寸法ｔｂの割合は、０．１以上０．９以下であることが好ましい（０．１≦ｔｂ／ｔａ≦０．９）。本実施形態では、棒状コア２０の厚みｔに対する寸法ｔｂの割合は、０．５以上である（ｔｂ／ｔａ≧０．５）。他の実施形態では、棒状コア２０の厚みｔに対する寸法ｔｂの割合は、０．５未満であってもよい（ｔｂ／ｔａ＜０．５）。

【0043】

本実施形態では、棒状コア２０の切欠部２８は、矩形断面を有する四角柱の直角な角部を中心軸方向に沿って切り欠いて形成された部位に相当する。切欠部２８は、製造誤差により棒状コア２０の角部が丸められて生じる部位とは異なる。よって、切欠部２８の幅ｗｂは、少なくとも、幅ｗの１％より大きく、切欠部２８の寸法ｔｂは棒状コア２０の厚みｔの１％より大きいとしてよい。

【0044】

図２および図３は、一対のソレノイドコイルユニット５０，５０ａを所定の離間距離Ｇの間隔を設けて並列に配置した状態を示す模式図である。図３には、磁束ＭＦを一点鎖線で図示してある。また、図３では、ソレノイドコイル１０を構成する電線を模式的に図示してある。

【0045】

一対のソレノイドコイルユニット５０，５０ａは、非接触給電装置５５を構成しており、ソレノイドコイルユニット５０は、離間して配置されている他のソレノイドコイルユニット５０ａと非接触で電力の授受を行う。以下、本実施形態のソレノイドコイルユニット５０を「第１のソレノイドコイルユニット５０」とも呼び、他のソレノイドコイルユニット５０ａを「第２のソレノイドコイルユニット５０ａ」とも呼ぶ。

【0046】

本実施形態では、第２のソレノイドコイルユニット５０ａは、第１のソレノイドコイルユニット５０と同じ構成を有している。第２のソレノイドコイルユニット５０ａは、第１のソレノイドコイルユニット５０が備えているのと同じ構成のソレノイドコイル１０、および、棒状コア２０を備え、第１のソレノイドコイルユニット５０と自己インダクタンスが同じである。

【0047】

非接触給電装置５５では、２つのソレノイドコイルユニット５０，５０ａは、離間方向に離間して並列に設置されている。ここでの「離間方向」は、ｘ方向とｙ方向とに直交するｚ方向に相当し、棒状コア２０の厚み方向に相当する。また、本明細書において「並列」とは、一の直線が他の直線に沿っている状態を意味しており、２つの直線が数学的に厳密に「平行」に配置されている状態と、一の直線が他の直線に対して数°程度の傾斜角を有している状態と、を含む概念である。

【0048】

本実施形態では、図３に示すように、２つのソレノイドコイルユニット５０，５０ａは、棒状コア２０の第１面２５ａ同士がｚ方向に向き合う姿勢で配置される。なお、２つのソレノイドコイルユニット５０，５０ａの配置姿勢はこれに限定されず、２つのソレノイドコイルユニット５０，５０ａは、棒状コア２０の第１面２５ａと第２面２５ｂとがｚ方向に向き合う姿勢で配置されてもよい。

【0049】

非接触給電装置５５では、第２のソレノイドコイルユニット５０ａは、離間距離Ｇを隔てて位置ずれなく設置される。つまり、非接触給電装置５５では、離間方向に見たときに、第１のソレノイドコイルユニット５０は、第２のソレノイドコイルユニット５０ａと重なり合う位置に設置される。このような配置にすることで、図４に示すように、一対のソレノイドコイルユニット５０，５０ａのうち、電流が流された一方のソレノイドコイルユニットで生じた磁束ＭＦの一部が、他方のソレノイドコイルユニットを構成するソレノイドコイル１０の棒状コア２０を通り、前記一方のソレノイドコイルユニットに戻ることで、相互誘導を生じさせて電力を授受することが可能となる。なお、本明細書において、「結合係数」と言うときは、特に断らない限り、図３および図４に示すように、離間方向に離間して並列に配置されている同じ構成の２つのコイルを位置ずれなく設置したときの値である。

【0050】

図５は、２つの同じ構成のソレノイドコイルを、離間距離Ｇを隔てて並列に配置したときの、離間距離Ｇに対するソレノイドコイルの長さＬと、当該長さＬに対する結合係数ｋと、の関係を示すグラフである。本願発明の発明者は最も効率よく高い結合係数ｋを得るため、一対のソレノイドコイル間の離間距離Ｇとソレノイドコイルの長さＬとの関係を実験とシミュレーションを用いて精査した。離間距離Ｇは、非接触給電装置５５の用途に応じて決まってくるものであり、ここでは電動モビリティへの非接触給電を想定して２００ｍｍを一例として採用している。この場合、図５に示すように、最も効率よく高い結合係数ｋを得ることができるソレノイドコイルの長さＬは、離間距離Ｇの略２倍、つまり、Ｌ≒２Ｇであることが明らかとなった。本願発明の発明者の実験例では、G＝２００ｍｍで、Ｌ＝４００ｍｍとしたときの結合係数ｋの値は０．０８８となった。

【0051】

ソレノイドコイルユニットをＬ＜２Ｇの範囲で設計すると、十分な結合係数ｋを得ることが難しくなり、Ｌ＞２Ｇの範囲で設計すると、ソレノイドコイルユニットが必要以上に大型化して軽量化することが困難となる。なお、図５に示された関係は、離間距離Ｇが２００ｍｍであるときには限定されない。離間距離Ｇを、例えば、１５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲内の任意の値で設定した場合や、１８０ｍｍ以上２２０ｍｍ以下の範囲内の任意の値で設定した場合でも同様の関係が得られる。また、Ｌの値は２Ｇの一点に限定されるものではなく、用途や設計に応じた所定の幅が許容されるものであり、一例として１０％程度の誤差を許容する。よって、離間距離Ｇの略２倍であるソレノイドコイルの長さＬは、１．８Ｇ以上２．２Ｇ以下の範囲内で設定されることが許容される。本明細書において、「Ｌ≒２Ｇ」との表記は、Ｌが１．８Ｇ以上２．２Ｇ以下の範囲内の任意の値であることを意味している。

【0052】

本実施形態では、ソレノイドコイル１０の長さＬがＬ≒２Ｇの条件を満たすように構成されている。これにより、結合係数ｋを高く維持しながら、棒状コア２０を、軽量化が可能な形状に設計することが可能となる。また、本実施形態のソレノイドコイルユニット５０は、棒状コア２０の中央部２１の長さＬは、幅ｗの２倍以上、つまり、Ｌ≧２ｗに設計される。このようにすれば、棒状コア２０を、幅ｗが小さい細長い形状とできるため、ソレノイドコイルユニット５０の重量の増大を抑制しながら結合係数ｋが所望の高い値になるように、ソレノイドコイル１０の長さＬを大きくすることができる。

【0053】

ソレノイドコイルユニット５０では、棒状コア２０の中心軸方向における中央部２１の長さＬは、中央部２１の幅ｗに対する比率が３倍以上であることが好ましく、４倍以上であることがさらに好ましい。また、中央部２１の長さＬは、中央部２１の幅ｗに対する比率が８以上、つまり、Ｌ≧８ｗとすることも可能である。このようにすれば、ソレノイドコイルユニット５０をより細長い棒状の形状とすることができ、ソレノイドコイルユニット５０の重量の増大を抑制しながら、その結合係数ｋをさらに高めることができる。

【0054】

なお、軽量化のみの観点では棒状コアは細いほど効果があるが、実際には、機械的強度や巻回する絶縁電線の仕様、磁束密度の飽和を回避できる程度の断面積の確保などを踏まえてＬ／ｗの最大値が決定されることが好ましい。

【0055】

図６に、非接触給電装置５５において棒状コア２０の透磁率を変更したときの結合係数ｋを示すグラフを示す。高い結合係数ｋを得るためには、棒状コア２０は、透磁率が１５００Ｈ／ｍ以上の材料で構成されることが好ましく、透磁率が２０００Ｈ／ｍ以上の材料で構成されることがより好ましい。棒状コア２０は、透磁率が２５００Ｈ／ｍ以上の材料で構成されることがさらに好ましい。また、棒状コア２０は、透磁率が３０００Ｈ／ｍより大きい材料で構成されたとしても結合係数ｋが著しく高くなることは期待できない。よって、棒状コア２０は、透磁率が、３０００Ｈ／ｍ以下の材料で構成されていることが好ましい。

【0056】

図７に、本実施形態の非接触給電装置５５と同様な構成を有する非接触給電装置における棒状コアの断面積Ｓと結合係数ｋとの関係を表すグラフを示す。図８に、棒状コアの断面積Ｓに対する結合係数ｋの割合ｋ／Ｓと断面積Ｓとの関係を表すグラフを示す。図７および図８のグラフは、本願発明者が研究を重ねて独自に得たものである。図７および図８のグラフでの結合係数ｋは、非接触給電装置を構成する２つのソレノイドコイルユニットの間の離間距離Ｇを２００ｍｍとしたときの値である。

【0057】

図７および図８のグラフを得るために、本願発明者は、種々の寸法の断面形状を有する棒状コアについて結合係数ｋを測定した。測定対象とした棒状コアには、切欠部２８に相当する部位を有していない略長方形形状の断面を有する構成のものと、本実施形態の棒状コア２０と同様に切欠部２８に相当する部位を有するものとが含まれる。棒状コアの断面積Ｓは、中心軸方向に直交する断面における中央部の断面積に相当する。図７に示すように、棒状コアの断面積Ｓが大きいほど結合係数ｋを高めることができる。ただし、結合係数ｋが０．１７以上となる断面積ｓ１以上の領域では、断面積Ｓに対する結合係数ｋの増加率は次第に小さくなっていく。結合係数ｋが０．１８以上となる断面積ｓ２以上の領域では、結合係数ｋの増加率はさらに小さくなる。また、結合係数ｋが０．１９以上となる断面積ｓ３以上の領域では、結合係数ｋの増加率はさらに小さくなり、ほぼ一定となる。このように、０．１７以上の高い結合係数ｋが得られる領域では、断面積Sを大きくしたとしても、結合係数ｋが増加しにくい。こうした領域では、棒状コアの断面積Ｓを小さくして、ソレノイドコイルユニットを軽量化したときの結合係数ｋの低下がわずかで済む。よって、ソレノイドコイルユニットを軽量化しながら高い結合係数を得ることが可能である。

【0058】

図９に、棒状コア２０の幅に対する結合係数ｋの変化を示すグラフを示す。図９のグラフには、切欠部２８を有する棒状コア２０を用いた場合の実施例のグラフＧ１と、切欠部２８を有していない棒状コアを用いた場合の比較例のグラフＧ２とが示されている。実施例と比較例のいずれにおいても、非接触給電装置は、図３に示したのと同様に構成し、離間距離Ｇを２００ｍｍとした。実施例のグラフＧ１は、切欠部２８の寸法ｗｂ，ｔｂを一定とし、幅ｗを変更したときの結合係数ｋの変化を示している。一方、比較例のグラフＧ２は、切欠部２８を設けない略長方形形状の断面を有する棒状コアの幅を変更したときの結合係数ｋの変化を示している。

【0059】

図９のグラフＧ１，Ｇ２に示すように、切欠部２８を有していても、有していなくても、結合係数ｋに著しく大きな差は生じていない。特に、結合係数ｋが０．１８以上のときに、その差は小さく、結合係数ｋが０．１９以上のときに、その差はさらに小さくなる。このように、切欠部２８を有する棒状コア２０を備えている本実施形態のソレノイドコイルユニット５０によれば、結合係数ｋの低下を抑制しながら軽量化することが可能である。非接触給電装置５５をモビリティ等へ搭載することを考慮した場合、切欠部２８を設けて棒状コア２０を軽量化したことによって得られる効果は非常に大きい。

【0060】

図９のグラフＧ１が得られた実施例の棒状コア２０では、切欠部２８の寸法ｗｂ，ｔｂは一定であるため、幅ｗが大きくなるほど、切欠部２８を設けていない場合の断面積ＳＢに対する切欠部２８を設けた場合の断面積ＳＡの割合ＳＡ／ＳＢが大きくなる。ＳＡ／ＳＢは、０．７以上であることが好ましく、０．８以上であることがより好ましい。ＳＡ／ＳＢは、０．９以上であることがさらに好ましい。ＳＡ／ＳＢは、０．９５未満であることが好ましい。ＳＡ／ＳＢをこうした範囲で設定することにより、高い結合係数ｋを得ることが容易にできる。

【0061】

図２を参照する。上述したように、本実施形態の棒状コア２０の断面形状は、矩形形状の角部Cを切り欠いた形状に相当する。こうした矩形柱形状の角部を削いだ簡素な構成の棒状コア２０であれば、製造が容易であり、ソレノイドコイルユニット５０の製造コストの低減が可能である。

【0062】

本実施形態の棒状コア２０は、幅方向に並ぶ２つの角部Cを切り欠いた構成を有しており、幅方向に対称な形状、つまり、中心軸ＣＸに直交する幅方向の中心線を挟んで対称な形状を有している。本願発明の発明者の知見によれば、棒状コア２０は、その断面が幅方向または厚み方向に対称な形状、または、中心軸ＣＸを中心として点対称な形状を有している構成の方が、高い結合係数ｋを得ることが可能である。よって、幅方向に対称な形状の断面を有する本実施形態の棒状コア２０によれば、切欠部２８を設けて断面積が低下したことによる結合係数ｋの低下が、さらに抑制される。

【0063】

なお、他の実施形態では、棒状コア２０の断面が厚み方向に対称な形状となるように、厚み方向に並ぶ２つの角部Ｃを同じ寸法で切り欠いて２つの切欠部２８を形成してもよいし、４つの全ての角部Ｃを同じ寸法で切り欠いて４つの切欠部２８を形成してもよい。また、他の実施形態では、棒状コア２０の断面が中心軸ＣＸを中心とする点対称な形状となるように、中心軸CXを挟んで対角に位置する２つの角部Ｃを同じ寸法で切り欠いて、２つの切欠部２８を形成していてもよいし、４つの角部Ｃを同じ寸法で切り欠いて、４つの切欠部２８を形成していてもよい。

【0064】

また、他の実施形態では、棒状コア２０の断面は、幅方向または厚み方向に対称な形状を有していなくてもよいし、中心軸ＣＸを中心とする点対称な形状を有していなくてもよい。棒状コア２０は、任意の３つの角部Ｃを切り欠いた３つの切欠部２８を有する構成であってもよいし、寸法や形状が異なる２以上の切欠部２８を有する構成であってもよい。

【0065】

再び、図７および図８を参照する。本願発明の発明者は、図７および図８のグラフから、棒状コア２０では、中央部２１の幅ｗに対する長さＬの割合Ｌ／ｗが、２≦Ｌ／ｗ≦１６の関係を満たしていることが好ましいとの知見を導き出した。この関係が満たされていれば、棒状コア２０の断面積Ｓが小さくなりすぎて、結合係数ｋが著しく低い値となることを抑制できる。また、棒状コア２０の断面積Ｓが大きくなりすぎて、ソレノイドコイルユニット５０の重量が著しく大きい値となることを抑制できる。

【0066】

本実施形態では、ソレノイドコイルユニット５０のソレノイドコイル１０は、ソレノイド型であるため、図１９（Ａ）に示されているような従来のサーキュラー型のコイルユニットよりも、非接触給電の際のロバスト性が高い。また、ソレノイドコイルユニット５０は、従来のソレノイド型のコイルユニットよりも、中心軸方向の長さが大きいため、従来のソレノイド型のコイルユニットよりも、非接触給電の際の中心軸方向への位置ずれに対するロバスト性が高められている。

【0067】

以上のように、本実施形態のソレノイドコイルユニット５０、および、非接触給電装置５５によれば、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを高い次元で成立させることが可能である。特に、本実施形態のソレノイドコイルユニット５０、および、非接触給電装置５５によれば、棒状コア２０に設けられた欠損部である切欠部２８を有することにより、結合係数ｋの低下を抑制しながら軽量化を実現することが可能である。

【0068】

２．第２実施形態：
図１０に第２実施形態にかかるソレノイドコイルユニット５０Ａの概略正面図、概略平面図、および、概略側面図を示す。第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａの構成は、棒状コア２０の２つの端部２２のそれぞれに追加磁極部３０が設けられている点以外は、第１実施形態で説明したソレノイドコイルユニット５０とほぼ同じである。

【0069】

追加磁極部３０は、棒状コア２０の端部２２から張り出し、中央部２１よりも厚みが小さい板状の部位として構成されている。第２実施形態では、各端部２２の追加磁極部３０は同じ形状を有している。第２実施形態では、追加磁極部３０は、厚み方向に見たときに略四角形状を有しており、端部２２からｘ方向およびｙ方向に沿って張り出している。図１０に示すように、第２実施形態では、端部２２は、追加磁極部３０のｘ方向における中央に位置しており、中央部２１から離れるほどその厚みが小さくなるように構成されている。

【0070】

追加磁極部３０の厚みｃは一定である。ソレノイドコイルユニット５０Ａをより軽量に構成する軽量化の観点からは、追加磁極部３０の厚みｃは、小さいほど好ましい。追加磁極部３０の厚みｃは、中央部２１の厚みｔの１／２以下であることが好ましく、１／３以下であることが、より好ましい。追加磁極部３０の厚みｃは、中央部２１の厚みｔの１／５以下であることが、さらに好ましい。なお、他の実施形態では、追加磁極部３０の厚みｃは一定でなくてもよい。追加磁極部３０は、例えば、幅方向や長さ方向に連続的に厚みが変化する構成を有していてもよい。この場合には、前述の厚みｃは、追加磁極部３０の厚みの最大値であるとしてもよい。

【0071】

第２実施形態では、追加磁極部３０は、棒状コア２０と同じ磁性体材料によって構成され、棒状コア２０と一体的に作製される。他の実施形態では、追加磁極部３０は、棒状コア２０とは別体として構成され、端部２２に接合により後付けされてもよい。また、追加磁極部３０は、棒状コア２０とは異なる種類の磁性体によって構成されてもよい。

【0072】

後述するように、ソレノイドコイルユニット５０Ａは、追加磁極部３０を有していることによって、重量の増加を抑制しながら結合係数ｋを高め、且つ、位置ずれに対するロバスト性を高める効果を得ることが可能となっている。

【0073】

なお、追加磁極部３０の板面の形状は、略四角形状に限定されることはない。他の実施形態では、追加磁極部３０の板面の形状は、例えば、三角形形状や、多角形形状、正円形状、楕円形状であってもよい。また、追加磁極部３０の板面の形状は、一方の端部２２と他方の端部２２とで異なっていてもよい。第２実施形態では、追加磁極部３０は、端部２２から幅方向に張り出しており、追加磁極部３０の幅ｂは、棒状コア２０の端部２２の幅ｗより大きい。これに対して、他の実施形態では、追加磁極部３０は、端部２２から幅方向に張り出すことなく、中心軸方向にのみ張り出していてもよい。また、追加磁極部３０は、端部２２から中心軸方向に張り出していなくてもよく、幅方向にのみ張り出していてもよい。

【0074】

図１１は、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａを用いた非接触給電装置５５Ａを示す模式図である。非接触給電装置５５Ａは、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａと、第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａと、を備える。第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａは、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａと同じ構成を有しており、ソレノイドコイル１０と、追加磁極部３０が設けられた棒状コア２０とを備える。第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａは、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａと自己インダクタンスが同じである。また、追加磁極部３０の寸法も同じである。

【0075】

非接触給電装置５５Ａでは、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａは、相互誘導による非接触給電を行う他のソレノイドコイルユニットである第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａに対して、離間方向に所定の離間距離Ｇを隔てて並列に設置される。離間方向は、第１実施形態と同様に、ｚ方向に沿った方向である。非接触給電装置５５Ａでは、第１実施形態の非接触給電装置５５と同様に、一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａは、互いに位置ずれすることなく設置されている。この配置では、第１のソレノイドコイルユニット５０Ａの追加磁極部３０と、第２のソレノイドコイルユニット５０Ａａの追加磁極部３０とは、互いの板面が離間方向に面し合うように並列に配置される。

【0076】

図１２に、追加磁極部３０の寸法と結合係数ｋとの関係を表すグラフを示す。図１３に、追加磁極部３０の面積ＰＳと結合係数ｋとの関係を表すグラフを示す。図１２および図１３は、本願発明の発明者の実験により得られたものである。

【0077】

この実験での結合係数ｋは、図１１に示す同じ構成を有する一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａの間において得られた値である。この実験では、追加磁極部３０は、長さａと幅ｂとが等しい略正方形形状の板面を有する構成とした。図１２における追加磁極部３０の寸法は、追加磁極部３０の幅ｂに相当する。図１３における追加磁極部３０の面積ＰＳは、端部２２の側面の面積も含む値であり、追加磁極部３０の長さａと幅ｂとを乗じた値に相当する。つまり、ＰＳ＝ａ×ｂである。

【0078】

図１２のグラフは、実線部分が示すように、追加磁極部３０が、端部２２から張り出しているほど、結合係数ｋが大きくなることを示している。また、図１３のグラフは、追加磁極部３０の面積が大きいほど、結合係数ｋが大きくなることを示している。

【0079】

ここで、２つのソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａからなる磁気回路における磁気抵抗Rは下記の数式１で表される。数式１が示すように、追加磁極部３０の面積ＰＳが大きいほど、磁気抵抗Ｒは小さくなり、それだけ磁束が大きくなる。これより、追加磁極部３０の寸法ａ，ｂを大きくし、その面積ＰＳを大きくすれば、結合係数ｋが大きくなることは明らかである。

【0080】

【数1】

【0081】

追加磁極部３０であれば、その寸法を大きくすることにより、棒状コア２０の中央部２１の長さＬや断面積Ｓを大きくする場合よりも、結合係数ｋを高めやすい。また、追加磁極部３０は、板状であるため、厚みｃを調整することにより軽量に構成することが容易である。よって、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａであれば、棒状コア２０の中央部２１の長さＬや断面積Ｓを小さくして軽量化した場合でも、追加磁極部３０を設けることにより、結合係数ｋを高めることが可能になる。つまり、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａであれば、重量の増大を抑制しながら結合係数ｋを高めることが、より一層容易にできる。

【0082】

図１４に、従来のコイルユニットを用いた非接触給電装置におけるコイルユニット間の離間距離Ｇと結合係数ｋとの関係の一例を示すグラフを示す。一点鎖線で示す第１のグラフＧＰは、図１９（Ａ）に示す従来のサーキュラーコイルユニット１００Ａにおいて得られる離間距離Ｇと結合係数ｋとの関係の一例を示している。二点点鎖線で示す第２のグラフＧＳは、図１９（Ｂ）に示す平板状のフェライトコア１０２Ｂを有する従来のソレノイドコイルユニット１００Ｂにおいて得られる離間距離Ｇと結合係数ｋとの関係の一例を示している。従来のコイルユニット１００Ａ，１００Ｂを用いて非接触給電を行う場合、離間距離Ｇと結合係数ｋとは、一般的に、いわゆるトレードオフの関係にあり、離間距離Ｇを大きくすると、結合係数ｋが低下する関係にある。

【0083】

ここで、２つのグラフＧＰ，ＧＳの周辺における網点のハッチングが付された領域ＲＡは、従来技術で達成されている給電性能のおおよその範囲を示している。以下、領域ＲＡを「基準領域ＲＡ」とも呼ぶ。図１４において、基準領域ＲＡより右上の領域に結合係数ｋがプロットされる場合には、その非接触給電装置は、従来よりも高い高効率の給電性能を示す構成を有していると言える。逆に、基準領域ＲＡより左下の領域に結合係数ｋがプロットされる場合には、その非接触給電装置は、従来よりも低効率の給電性能を示す構成を有していると言える。

【0084】

下記の表１を参照する。本願発明の発明者は、第２実施形態の実施例として、図１０のソレノイドコイルユニット５０Ａの構成において、Ｌ＝４２０ｍｍ、ｗ=５０ｍｍ、ｔ＝１５ｍｍ、ａ＝１５０ｍｍ、ｂ＝１５０ｍｍ、ｃ＝３ｍｍとした、ソレノイドコイルユニット５０Ａの製造例Ｅを作製した。

【0085】

【表1】

【0086】

本願発明の発明者は、その製造例Ｅを用いて、図１１に示す非接触給電装置５５Ａを構成し、離間距離Ｇ＝２００ｍｍとしたときの結合係数ｋを求めた。その結果を、図１４において点ＰＩとしてプロットしてある。この実施例では、結合係数ｋの値は０．１７５であり、従来よりも高効率の高い給電性能を有していることがわかる。

【0087】

このように、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａの構成であれば、追加磁極部３０を設けることにより、重量の増加を抑制しながら結合係数ｋをさらに高くすることが可能である。第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａによれば、離間距離Ｇが２００ｍｍであるときに限らず、離間距離Ｇを、例えば、１５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲内の任意の値で設定した場合や、１８０ｍｍ以上２２０ｍｍ以下の範囲内の任意の値で設定した場合でも、結合係数ｋを０．１８以上や、０．２以上にすることができる。

【0088】

次に、上記の製造例Ｅの重量を、従来の平板状コアとＨ型コアを用いたソレノイドコイルユニットと比較した。その結果を下記の表２に示す。比較例のソレノイドコイルユニットは、離間距離Ｇが７０ｍｍ～１００ｍｍと短いときに、製造例Ｅと同等の結合係数ｋを示した。つまり、製造例Ｅは、比較例よりも軽量であり、かつ、比較例よりも高い給電性能を示した。なお、比較例のソレノイドコイルユニットにおいて、離間距離Ｇを２００ｍｍとして同等の結合係数ｋを実現しようとすると、コイルやコアの長さは２倍、面積としては４倍程度が必要になる可能性があり、その分だけ重量が増加することになる。

【0089】

【表2】

【0090】

表２から読み取れるように、従来の平板状コアやＨ型コアを用いたソレノイドコイルユニットに比べ、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａによれば、給電性能を高めながら、大幅に軽量化することが可能であり、これにより電動モビリティ等への搭載を現実的なものとすることができる。

【0091】

図１５および図１６を参照して、ソレノイドコイルユニット５０Ａのロバスト性について説明する。図１５は、非接触給電装置５５Ａを構成する一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａがｘ方向に距離Ｄｘだけ位置ずれした配置状態を模式的に示している。図１６は、一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａがｙ方向に距離Ｄｙだけ位置ずれした配置状態を模式的に示している。

【0092】

第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａを用いた非接触給電装置５５Ａであれば、位置ずれが生じた場合であっても、追加磁極部３０を有している分だけ、位置ずれによる結合係数ｋの低下が抑制される。よって、一対のソレノイドコイルユニット５０Ａ，５０Ａａの間の位置ずれに対する高いロバスト性を得ることができる。

【0093】

なお、ソレノイドコイルユニット５０Ａでは、追加磁極部３０の幅ｂは、中央部２１の幅ｗよりも大きいことが好ましい。これによって、追加磁極部３０が幅方向に張り出している分だけ、幅方向の位置ずれに対するロバスト性を高めることができる。また、ソレノイドコイルユニット５０Ａでは、追加磁極部３０は、長さａと幅ｂとが等しいことが望ましい。これによって、中心軸方向と幅方向の両方の位置ずれに対するロバスト性を高めることができる。

【0094】

以下に、本願発明の発明者が行った、非接触給電装置５５Ａの位置ずれに対するロバスト性についての実験結果を説明する。この実験では、上述した製造例Ｅを用いて、離間距離Ｇを２００ｍｍとした非接触給電装置５５Ａを構成し、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに、１５０ｍｍずらして非接触給電を行った。

【0095】

ここで、一般に、インダクタンスＬは数式２によって表現される。図１５や図１６のように位置ずれが生じた場合は、磁極同士が離間方向に重なる面積Ｓの減少と磁路長ｌの増加により、インダクタンスＬは減少することになる。この実験例では電気回路に用いたコンデンサの静電容量Ｃは一定であることから、数式３に基づいてインダクタンスＬが減少した分、共振周波数ｆを増加させることで共振が維持されることになる。

【0096】

【数2】

【数3】

【0097】

表３に実験の結果を示す。幅方向へ１５０ｍｍの位置ずれが生じた場合は、９２．５％の効率が８５．０％にまで低下するが、上述の通り供給周波数を調整することによって９１．６％まで効率を上げることが可能であることがわかった。また、中心軸方向へ１５０ｍｍの位置ずれが生じた場合は、９２．２％の効率が８１．９％まで低下するが、同様に供給周波数を調整することで９１．０％まで効率を上げることが可能であることがわかった。

【0098】

【表3】

【0099】

図１７に、幅方向であるｘ方向と中心軸方向であるｙ方向のそれぞれに位置ずれさせた場合の結合係数ｋの変化を示すグラフを図示してある。図１７の横軸は位置ずれ量［ｍｍ］を示し、縦軸は位置ずれがない状態で１．０となるように正規化した結合係数ｋ／ｋ_０を示している。

【0100】

グラフＧｘ，Ｇｙは、上記の製造例Ｅを用いた非接触給電装置５５Ａにおいて得られたものである。グラフＧｘは、ｘ方向に位置ずれさせたときのものであり、グラフＧｙは、ｙ方向に位置ずれさせたときのものである。

【0101】

比較例のグラフＣ１～Ｃ３は非特許文献１に開示されている結合係数を基にグラフ化したものである。比較例のグラフＣ１はＨ型コアを用いた構成においてｘ方向の位置ずれを生じさせたときのものである。比較例のグラフＣ２はＨ型コアを用いた構成においてｙ方向の位置ずれを生じさせたときのものである。比較例のグラフＣ３は、サーキュラー型のコイルユニットを用いた構成において位置ずれを生じさせたときのものである。なお、サーキュラー型の位置ずれについては、ｘ方向、および、ｙ方向の方向依存性は無い。

【0102】

図１７によると、ソレノイドコイルユニット５０Ａの製造例Ｅを用いた場合、位置ずれ量が３００ｍｍに達した場合であっても、ｘ方向の位置ずれに対しては４５％以上、ｙ方向の位置ずれに対しては２０％以上、結合係数ｋが維持された状態で電力の授受が可能であることを示している。一方、比較例のグラフＣ１～Ｃ３ではいずれも、結合係数ｋは、位置ずれ量が大きくなるにつれ、急激に低下していることが読み取れる。比較例のグラフＣ１では、位置ずれ量３００ｍｍでは結合係数ｋはほぼゼロとなり、比較例のグラフＣ２およびＣ３では、位置ずれ量が１００ｍｍに達した段階で既に、結合係数ｋがゼロより小さくなり、電力の授受ができないデッドスポットが存在している。

【0103】

このように電力の伝送効率におよぼす位置ずれの影響を評価した結果、ｘ方向、ｙ方向共に高いロバスト性を有していることが確認された。これにより非接触給電技術のアプリケーションはより広がることとなり、電動モビリティへの走行中給電もより現実的なものとなる。

【0104】

以上のように、第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０Ａおよびそれを用いた非接触給電装置５５Ａによれば、棒状コア２０が切欠部２８を有していることにより、第１実施形態で説明したのと同様な作用効果を得ることができる。また、追加磁極部３０が設けられていることにより、より一層、高い次元で、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを成立させることができる。

【0105】

３．他の構成例：
図１８を参照して、一部を欠損させた欠損部が設けられた断面形状を有する棒状コアの種々の構成例を説明する。図１８には、図２と同様な棒状コア２０ａ～２０ｏの断面形状をまとめた表を図示してある。

【0106】

第１構成例の棒状コア２０ａの断面は、欠損部として、矩形形状の４つの角部を切り欠いた傾斜面である４つの切欠部２８を有しており、八角形形状を有している。第２構成例の棒状コア２０ｂの断面は、欠損部として、４つの角部を矩形状に切り欠いた溝状の４つの切欠部２８を有している。第３構成例の棒状コア２０ｃの断面は、ｘ方向に対向する位置にある二辺のそれぞれに矩形溝状の切欠部２８が形成された形状を有している。

【0107】

第４構成例の棒状コア２０ｄの断面は、欠損部として、ｚ方向に向く側面の１つに１つの溝状の切欠部２８が形成された形状を有している。第４構成例の切欠部２８のｘ方向の幅は、棒状コア２０ｄのｘ方向の幅の０．５倍より大きい。ただし、第４構成例の棒状コア２０ｄの断面積は、切欠部２８を有していない場合の矩形形状の断面積の０．５倍より大きい。第５構成例の棒状コア２０ｅの断面は、矩形形状のｚ方向に対向する２つの辺のそれぞれに２つずつ溝状の切欠部２８が形成された形状を有している。このように、棒状コアの断面は、矩形形状の１つ又は複数の外周辺に複数の切欠部２８が形成された形状を有していてもよい。

【0108】

第６構成例の棒状コア２０ｆの断面は、矩形形状の内部に孔部２９を形成した形状を有している。孔部２９は、矩形形状の内部の一部を欠損させた欠損部に相当する。このように、棒状コアの軽量化のために設ける欠損部は、外部に形成される切欠部２８に限定されず、内部に形成される孔部２９としても構成できる。なお、棒状コア２０ｆでは、孔部２９の断面形状は矩形形状を有している。

【0109】

第７構成例の棒状コア２０ｇの断面は、六角形形状を有している。棒状コア２０ｇの断面形状は、矩形形状から４つの角部とx方向に対向する位置にある２つの側面とを切り欠いた形状に相当する。第８構成例の棒状コア２０ｈの断面は、台形形状を有している。棒状コア２０ｈの断面形状は、矩形形状からｘ方向に並ぶ２つの角部とx方向に対向する位置にある２つの側面とを切り欠いた形状に相当する。第９構成例の棒状コア２０ｉの断面は、三角形形状を有している。棒状コア２０ｉの断面形状は、矩形形状からｘ方向に並ぶ２つの角部と、x方向に対向する位置にある２つの側面と、切り欠かれた２つの角部の間にある側面と、を切り欠いた形状に相当する。

【0110】

第１０構成例の棒状コア２０ｊは、平坦面によって構成された切欠部２８を有し、その断面は、円形形状の外周縁の一部を切り欠いて欠損させた形状を有している。ここで、本明細書において「円形形状」には、正円形状、楕円形状、および、長円形状が含まれる。第１１構成例の棒状コア２０ｋは、平坦面によって構成された２つの切欠部２８を有している。棒状コア２０ｋの断面は、円形形状の外周縁の一部を切り欠いた形状を有している。第１２構成例の棒状コア２０ｌは、平坦面によって構成された２つの切欠部２８を有している。棒状コア２０ｌの断面は、楕円形状の外周縁のうち、長径方向における端部部分を切り欠いた形状を有している。第１３構成例の棒状コア２０ｍは、側面に溝状の４つの切欠部２８を有している。棒状コア２０ｍの断面は、円形形状の外周縁の一部を切り欠いて欠損させた形状を有している。第１４構成例の棒状コア２０ｎの断面は、円形形状の内部に孔部２９を形成した形状を有している。孔部２９は、円形形状の内部の一部を欠損させた部位に相当する。棒状コア２０nでは、孔部２９の断面形状は円形形状を有している。第１５構成例の棒状コア２０ｏの断面は、円形形状の半分を切り欠いた半円形状を有している。

【0111】

４．その他：
上記の各実施形態や他の構成例において、切欠部２８を構成する傾斜面は、平坦な平面によって構成されてなくてもよく、曲面状に構成されてもよい。また、切欠部２８を構成する溝部は、例えば、三角形状の断面を有していてもよいし、半円形状の断面を有していてもよい。切欠部２８を構成する溝部は、中心軸CXに平行に形成されていなくてもよい。また、一直線状に形成されていなくてもよく、曲線状に形成されていてもよい。また、切欠部２８を構成する溝部の断面形状は、一定でなくてもよく、中心軸方向における位置ごとに変化してもよい。棒状コアの断面には、孔部２９が複数、形成されていてもよい。また、孔部２９の断面形状は、円形形状や矩形形状には限定されない。

【0112】

上記の各実施形態や他の構成例において、切欠部２８や孔部２９などの欠損部が形成された棒状コアの断面積をＳとし、欠損部が設けられていない場合の棒状コアの断面積をＳａと定義する。このとき、Ｓ／Ｓａは、０．５以上０．９８以下であることが好ましく、０．７以上０．９５以下であることがより好ましい。Ｓ／Ｓａは、０．８以上０．９０以下であることがさらに好ましい。Ｓ／Ｓａが前記の数値範囲内にあれば、欠損部を有している分だけ棒状コアを軽量化することができる一方で、欠損部を形成したことによる断面積の低下に起因して結合係数ｋが著しく低下することを抑制することができる。

【0113】

５．まとめ：
表４に示すように、従来のサーキュラー型のコイルユニットや、平板状コアを有するソレノイド型のコイルユニット、Ｈ型コアを有するソレノイド型のコイルユニットでは、結合係数、ロバスト性、軽量化のいずれの基準をも満たす状態ではない。これに対して、第１実施形態や第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０，５０Ａによれば、上述したように、結合係数、ロバスト性、軽量化の全てを高い次元で成立させることができる。特に、棒状コア２０に切欠部２８が設けられていることによって、結合係数を著しく低下させることなく、軽量化されている。また、従来のサーキュラー型のコイルユニットや、平板状コアを有するソレノイド型のコイルユニットでは、位置ずれが大きくなったときにデッドスポットが生じてしまう。Ｈ型コアを有するソレノイド型のコイルユニットでは、位置ずれの方向によってはデッドスポットが生じてしまう場合がある。これに対して、第１実施形態や第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０，５０Ａによれば、そうした従来のソレノイドコイルユニットよりも、位置ずれによるデッドスポットの発生を抑制することができる。また、従来のサーキュラー型のコイルユニットや、平板状コアを有するソレノイド型のコイルユニットでは、位置ずれが大きくなったときにデッドスポットが生じてしまう。Ｈ型コアを有するソレノイド型のコイルユニットでは、位置ずれの方向によってはデッドスポットが生じてしまう場合がある。これに対して、第１実施形態や第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０，５０Ａによれば、そうした従来のソレノイドコイルユニットよりも、位置ずれによるデッドスポットの発生を抑制することができる。

【0114】

【表4】

【0115】

以上、本願発明の好ましい実施形態および実施例について説明したが、本願発明はかかる実施形態や実施例に限定されるものではない。本願で開示した構成は、本願発明の技術的思想の範囲において、様々な変更や修正を加えることができる。例えば、上記の第１実施形態や第２実施形態のソレノイドコイルユニット５０，５０Aを、構成の異なる他のコイルユニットとの間の非接触給電に用いてもよい。

【符号の説明】

【0116】

１０ ソレノイドコイル
２０，２０ａ～２０ｆ 棒状コア
２１ 中央部
２２ 端部
２５ａ 第１面
２５ｂ 第２面
２５ｃ 第３面
２５ｄ 第４面
２６ａ 第１傾斜面
２６ｂ 第２傾斜面
２８ 切欠部（欠損部）
２９ 孔部（欠損部）
３０ 追加磁極部
５０，５０ａ，５０Ａ，５０Ａａ ソレノイドコイルユニット
５５，５５Ａ 非接触給電装置
１００Ａ，１００Ｂ コイルユニット
１０１Ａ サーキュラー型コイル
１０１Ｂ ソレノイド型コイル
１０２Ａ 円盤状のフェライトコア
１０２Ｂ 平板状のフェライトコア
ＣＸ 中心軸
ＭＦ 磁束

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】