非接触給電用コイル
【課題】車載バッテリへの非接触電力伝送を行う非接触給電用コイルにおいて、軽量化を図り、且つ、放熱効率を高めること。
【解決手段】送電及び受電に用いられる給電用コイルは、中心軸方向に中空部５２が形成された管状線材５０にて構成することで、軽量化されている。また、中空部５２は、給電用コイルのループの内側の肉厚ｃが、ループの外側の肉厚ａよりも厚くなるよう、管状線材５０の断面中心Ｏに対し、ループの外側に偏心した位置に形成される。これは、給電用コイルは、電力伝送時に、表皮効果によって電流がコイル表面を流れるだけでなく、電流密度が、給電用コイルのループの内側ほど高くなって、その部分で発熱するためである。つまり、管状線材５０の中空部５２を偏心させることで、電力伝送時に発生する熱をコイル表面に分散させて、放熱効果を高めている。
【解決手段】送電及び受電に用いられる給電用コイルは、中心軸方向に中空部５２が形成された管状線材５０にて構成することで、軽量化されている。また、中空部５２は、給電用コイルのループの内側の肉厚ｃが、ループの外側の肉厚ａよりも厚くなるよう、管状線材５０の断面中心Ｏに対し、ループの外側に偏心した位置に形成される。これは、給電用コイルは、電力伝送時に、表皮効果によって電流がコイル表面を流れるだけでなく、電流密度が、給電用コイルのループの内側ほど高くなって、その部分で発熱するためである。つまり、管状線材５０の中空部５２を偏心させることで、電力伝送時に発生する熱をコイル表面に分散させて、放熱効果を高めている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触電力伝送に用いられる非接触給電用コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンとモータとを動力源とするハイブリッド車やモータのみを動力源とする電気自動車に対しバッテリ充電用の電力を供給するシステムとして、送電用コイルと受電用コイルとの間の電磁誘導若しくは磁界／電界の共鳴により、非接触に電力供給を行うシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、この種のシステムにおいては、電力伝送に用いられる給電用コイル（送電用コイルや受電用コイル）の発熱を防止するため、給電用コイルをボビンに巻回して、ボビンの内側からコイルに向けて冷却用の空気を送風する冷却装置を設けることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願２０１０−０６８６３２号公報
【特許文献２】特願２０１０−２８４０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような非接触電力伝送システムにおいて、伝送可能な電力を増大するには、送電及び受電に用いられる給電用コイルに大電流を流す必要があるため、給電用コイルを構成する導電性線材の径を太くする必要がある。
【０００６】
しかし、このように給電用コイルを構成する導電性線材の径を太くすると、要求電力の伝送時間（延いては、バッテリへの充電時間）を短くすることはできるものの、給電用コイルの重量が増加する。
【０００７】
このため、軽量化が要求される車両に搭載するには不適切であった。
また、給電用コイルに大電流を流すようにすると、給電用コイルでの電力損失が大きくなるので、給電用コイルからの発熱量も増大する。
【０００８】
このため、給電用コイルにより伝送可能な電力を増大するには、給電用コイル自体の発熱を抑制するため、上記のような冷却装置で外から冷却するだけでなく、給電用コイルを、より放熱し易い構造にすることが要求される。
【０００９】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、軽量化し易く、しかも、容易に放熱効率を高めることのできる非接触給電用コイルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、導電性の線材をループ状に巻回してなる非接触給電用コイルであって、前記線材は、中心軸方向に中空部が形成された管状線材からなることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材の断面を見たとき、前記中空部は、前記管状線材の中心位置から偏心した位置に
形成されており、当該非接触給電用コイルは、前記管状線材を巻回することにより、前記管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの内側の方がループの外側よりも厚くなるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材は、当該管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの外側の厚みに対し、ループの内側の厚みが少なくとも２倍以上になるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の非接触給電用コイル。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材は、当該管状線材の外径に対する前記中空部側内径の比率が、少なくとも７０％以上となるように形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材の外壁には凹凸が形成されていることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材の中空部には、冷却材が充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の非接触給電用コイルによれば、当該非接触給電用コイルを構成する線材として、中心軸方向に中空部が形成された管状線材が用いられることから、非接触給電用コイル自体の軽量化を図ることができる。
【００１６】
また、このように中空部が形成された管状線材を用いることができるのは、非接触電力伝送では、非接触給電用コイルに高周波信号が供給され、非接触給電用コイルに流れる電流は、表皮効果によって非接触給電用コイルの表面に集中するからである。
【００１７】
つまり、本発明の非接触給電用コイルによれば、線材に中空部を有する管状線材を用いることにより、電力伝送能力が低下することはない。
よって、本発明の非接触給電用コイルによれば、伝送可能な電力量を増加するために、線材の外径を太くしても、非接触給電用コイル自体の重量が増加するのを防止することができ、軽量化が要求される車両へも容易に搭載できるようになる。
【００１８】
ところで、非接触給電用コイルでは、電力伝送用の電流が表皮効果によってコイル表面に集中するが、非接触給電用コイルは、導電性の線材（本発明では管状線材）を巻回することにより構成されることから、コイル表面での電流密度が均一にならないことが考えられる。
【００１９】
そこで、本発明者らが電力伝送時の送電用コイル及び受電用コイルにおけるコイル表面での電流密度を調べたところ、両コイル共、ループの内側が電流密度が高く、ループの外側が電流密度が低くなることが分かった。
【００２０】
そして、このように、非接触給電用コイルにおいて、電力伝送時の電流密度がコイル表面で均一にならない場合、電流密度が高い箇所（つまり、非接触給電用コイルのループの内側）程、発熱量が多くなり、その部分の放熱をし易くする必要がある。
【００２１】
そこで、請求項２に記載の非接触給電用コイルにおいては、管状線材として、その断面を見たときに、中空部が管状線材の中心位置から偏心した位置になるように形成された管状線材を使用し、この管状線材を、管状線材の外周と中空部側内周との間の厚みが、当該
非接触給電用コイルのループの内側の方がループの外側よりも厚くなるように巻回することで、非接触給電用コイルを形成するようにされている。
【００２２】
これは、非接触給電用コイルを構成する管状線材において、非接触給電用コイルのループの内側から外側へ熱を逃がして、非接触給電用コイルの表面全体で放熱させるには、管状線材の肉厚（詳しくは、管状線材の外周と中空部側内周との間の厚み）をどのようにすればよいかを、後述のシミュレーション等によって検討したところ、ループの内側の肉厚をループの外側の肉厚よりも大きくすればよいことが分かったためである。
【００２３】
このため、請求項２に記載の非接触給電用コイルによれば、電力伝送時にコイル表面で電流密度が均一にならず、非接触給電用コイルのループの内側で発熱量が多くなっても、その熱を、非接触給電用コイルのループの外側に逃がし、非接触給電用コイルの表面全体で効率よく放熱することができるようになる。
【００２４】
なお、後述のシミュレーション結果によれば、非接触給電用コイルにおいて、管状線材のループの内側の肉厚を、ループの外側の肉厚に比べて、２倍以上にすると、良好な放熱効果が得られることが分かった。
【００２５】
このため、管状線材は、請求項３に記載のように、当該管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの外側の厚みに対し、ループの内側の厚みが少なくとも２倍以上になるように形成することが望ましい。
【００２６】
一方、管状線材において、非接触給電用コイルのループの内側の肉厚をループの外側の肉厚に比べて厚くするにしても、その厚みを厚くすればするほど、中空部の径が小さくなり、非接触給電用コイルを構成する線材に中空部を形成することによる軽量化の効果が低減する。
【００２７】
そこで、管状線材は、請求項４に記載のように、管状線材の外径に対する中空部側内径の比率が、少なくとも７０％以上となるように、上記各部の肉厚を設定することが望ましい。
【００２８】
つまり、管状線材の外径に対する中空部側内径の比率を７０％以上にすれば、中空部のない線材を使って非接触給電用コイルを形成した場合に比べて、５０％程度若しくはそれ以上の軽量化を図ることができる。
【００２９】
なお、管状線材の外径に対する中空部側内径の比率の上限は、管状線材の外径や材質等によって異なるため、数値で規定することはできないが、管状線材において非接触給電用コイルのループの外側の肉厚（つまり、管状線材において最も薄くなる肉厚）を、給電用コイルとしての強度を確保し得る肉厚にできるように設定すればよい。
【００３０】
また次に、非接触給電用コイルの放熱効果をより高めるには、請求項５に記載のように、管状線材の外壁に凹凸を形成することで、その表面積を増加させるようにしてもよい。
また、請求項６に記載のように、管状線材の中空部に冷却材を充填することで、管状線材の内側から管状線材自体を冷却するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態の非接触給電システムの構成を表すブロック図である。
【図２】実施形態の送電及び受電用のコイルの外観を表す概略斜視図である。
【図３】実施形態の送電及び受電用のコイルの断面を表す断面図である。
【図４】非接触給電用コイルにおける放熱効果のシミュレーション実施条件を説明する説明図である。
【図５】非接触給電用コイルにおける放熱効果のシミュレーション結果を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示すように、本実施形態の非接触給電システムは、車両に搭載された受電装置１０に対し、所定の給電場所の路面に埋設された送電装置３０から、非接触で電力供給を行うためのものである。
【００３３】
ここで、まず、受電装置１０は、ハイブリッド車や電気自動車等からなる車両に搭載され、送電装置３０から受電した電力にて、車両の動力源となるモータに電源供給を行うバッテリ４を充電するためのものであり、送電装置３０からの供給電力を受電するために車両の底部に設けられた受電用コイル１２を備える。
【００３４】
なお、受電用コイル１２及び後述の送電用コイル３２は、車幅が１５００ｍｍ〜１８００ｍｍ程度の自動車において、車幅の半分から４分の１程度を占有し、且つ、路車間で電力伝送用の高周波信号（例えば、十数ＭＨｚ帯）を送受信することを想定し、ループの直径が３００ｍｍ〜６００ｍｍ程度となるように形成されており、以下の説明で通信若しくは電力伝送に用いられるＯＦＤＭ変調信号のサブキャリアは、これら各コイル１２、３２で送受信可能である。
【００３５】
また次に、受電装置１０には、受電用コイル１２が受信した受信信号（電力）を整流し平滑化する整流平滑回路１８、整流平滑回路１８からの出力に基づきバッテリ４を充電する充電回路２０、及び、整流平滑回路１８からの出力に基づき、受電した電力量（受電量）を検出する受電量検出部２２が備えられている。
【００３６】
なお、充電回路２０は、外部のプラグイン用電源装置から電源プラグを介して入力される電力でもバッテリ４を充電できるようになっているが、この充電系統については本発明と関係がないので、説明を省略する。
【００３７】
また、受電装置１０には、受電用コイル１２を介して送電装置３０との間で無線通信するための無線通信部２４、及び、この無線通信部２４を介して送電装置３０に送電要求を送信したり、送電装置３０から送信された情報を取得し、充電回路２０を制御する受電制御部２８が備えられている。
【００３８】
受電制御部２８は、ＣＰＵを中心とするマイクロコンピュータにて構成されており、車両に搭載されたモータ制御用のＥＣＵ（電子制御装置）６を始めとする各種ＥＣＵとの間で、車内ＬＡＮを介してデータ通信を行い、車両ＩＤや車両運転者からの充電要求、バッテリ４の残容量等、送電装置３０から電力供給を受けるのに必要な各種情報を取得する。
【００３９】
そして、受電制御部２８は、車両運転者から充電要求を受けると、無線通信部２４に車両ＩＤやバッテリ４の残容量等の車両情報を表す送信データを出力することで、受電用コイル１２から車両情報を送信させる。
【００４０】
また、受電制御部２８は、送電装置３０から電力供給を受けているときには、送電装置３０から通知される送電電力量を、無線通信部２４を介して取得し、その取得した送電電力量と受電量検出部２２で検出される受電電力量とを比較し、これらの差が閾値を超えた際には、送受電に異常があると判断して、充電回路２０による充電を停止したり、その旨を表す異常情報を無線通信部２４に出力することで、受電用コイル１２から異常情報を送
信させる。
【００４１】
また、無線通信部２４は、ＯＦＤＭ変調部２５とＯＦＤＭ復調部２６とから構成されており、受電制御部２８から入力される送信情報をＯＦＤＭ変調部２５にて変調して、方向性結合器１４を介して受電用コイル１２に出力し、ＯＦＤＭ復調部２６には、受電用コイル１２から方向性結合器１４、１６を介して受信信号を入力するようにされている。
【００４２】
なお、方向性結合器１４は、受電用コイル１２からの受信信号を方向性結合器１６側に伝送し、ＯＦＤＭ変調部２５からの送信信号を受電用コイル１２側に伝送するためのものであり、方向性結合器１６は、方向性結合器１４を介して入力される受信信号の殆どを整流平滑回路１８側に伝送し、その受信信号の一部（−５０ｄＢ〜−６０ｄＢ程度）をＯＦＤＭ復調部２６側に伝送する。
【００４３】
次に、送電装置３０は、図３に示すように、車両２の受電装置１０に設けられた受電用コイル１２との間で送受信するための送電用コイル３２と、外部の管理装置との間で通信を行うための有線通信部３４と、ＣＰＵを中心とするマイクロコンピュータにて構成された送電制御部３６と、送電用コイル３２を介して受電装置１０との間で無線通信をしたり、受電装置１０への電力供給量を制御したりするための無線通信部３８と、送電用電源回路４８から電力供給を受けて、無線通信部３８からの出力を送電用に電力変換（例えば、Ｄ級増幅）する電力変換部４４と、電力変換部４４での電力変換により発生する歪成分（換言すれば不要な信号成分）を相殺するために、無線通信部３８から電力変換部４４に出力される送信信号（詳しくはＯＦＤＭ変調信号）を補正する歪補償部４２と、電力変換部４４からの出力（送信信号）を送電用コイル３２側に伝送し、送電用コイル３２にて受信された受信信号を無線通信部３８側に伝送する方向性結合器４６と、から構成されている。
【００４４】
ここで、送電用電源回路４８は、商用電源等の外部電源から電源供給を受けて、電力変換部４４駆動用の電源電圧を生成するものであり、送電制御部３６や無線通信部３８等に電源供給を行う定電圧電源回路（図示せず）とは別に、大電力送電用の電源回路として設けられている。
【００４５】
また、無線通信部３８は、ＯＦＤＭ変調部４０とＯＦＤＭ復調部４１とから構成されており、ＯＦＤＭ変調部４０は、送電制御部３６からの指令に従い、送信に用いる電波の波数や各電波の変調方式を切り換え可能に構成されている。
【００４６】
そして、送電制御部３６は、送電用コイル３２で受信され、ＯＦＤＭ復調部４１にて復調された受電装置１０からの車両情報（詳しくは、車両ＩＤやバッテリ４の残容量等）に基づき、受電装置１０を搭載した車両が電力供給可能なエリア内に侵入したことを検知し、受電装置１０に供給すべき送電電力量を算出する。
【００４７】
そして、送電制御部３６は、その算出した送電電力量に基づき、ＯＦＤＭ変調部４０から送信させるＯＦＤＭ信号のサブキャリアの波数及びその変調方式（ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ等の位相変調の何れか）を設定し、ＯＦＤＭ変調部４０にＯＦＤＭ変調信号を生成させる。また、サブキャリアの変調用のデータとして、現在の送電電力量等を表す情報を出力する。
【００４８】
この結果、ＯＦＤＭ変調部４０からは、送電電力量を表す情報にて変調された所定波数のＯＦＤＭ変調信号が出力され、その信号が歪補償部４２を介して電力変換部４４に入力され、電力変換部４４にて例えばＤ級増幅されて、送電用コイル３２から受電用コイル１２へと非接触伝送される。
【００４９】
なお、受電装置１０において、受電用コイル１２は車両の底部に設けられているため、送電装置３０の送電用コイル３２は、低損失で電力伝送を行うために、車両を停車可能な路面に埋設されている。
【００５０】
このように構成された本実施形態の非接触給電システムによれば、送電装置３０が、ＯＦＤＭ変調部４０により多数のサブキャリアからなるＯＦＤＭ変調信号を発生させ、そのＯＦＤＭ変調信号を、電力変換部４４にて電力増幅して、送電用コイル３２から送電させる。
【００５１】
このため、単一のキャリアで電力伝送する場合に比べて、ＯＦＤＭ変調信号を構成しているサブキャリア１波当たりの送信電力を少なくして、給電時の各波の電界強度を小さくすることができる。
【００５２】
つまり、本実施形態の送電装置３０によれば、ＯＦＤＭ変調信号を構成するサブキャリア毎の電界強度を許容範囲内に制限しつつ、サブキャリアの数を変化させることにより、受電装置１０に供給可能な電力量を制御することができ、受電装置１０に対し必要な電力を効率よく供給することができる。
【００５３】
このように、本実施形態の非接触給電システムによれば、送電用コイル３２及び受電用コイル１２を使って非接触電力伝送を行うことができ、しかも、その電力伝送に多数のサブキャリアにて構成されるＯＦＤＭ信号を利用するので、各サブキャリアを合成した大電力を伝送することができるが、その電力伝送に用いられる送電用コイル３２及び受電用コイル１２には、大電流が流れることになる。
【００５４】
そこで、本実施形態では、これら送電用コイル３２及び受電用コイル１２に大電流を流すことができるように、図２に示すように、これら各コイル３２、１２を、外径が数ｃｍの極太の線材を使ってループ状に形成し、その両端に共振用のコンデンサを設けることにより構成している。
【００５５】
ところで、このように、非接触給電用コイル（つまり、送電用コイル３２及び受電用コイル１２、以下、単に給電用コイルともいう）を用いて非接触伝送可能な電力量を増加するために、給電用コイルを構成する線材の径を大きくすると、給電用コイルの重量が増加する。
【００５６】
また、この場合、特に、車両に搭載される受電用コイル１２では、車両の重量が増加することになるので、車両のエネルギ消費効率を悪化させてしまう。
一方、給電用コイルを構成する線材の径を大きくして、大電流（高周波信号）を流すと、表皮効果によって、コイル表面に電流が分布する。
【００５７】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、給電用コイルを構成する線材に、その線材の中心軸（図に示す断面中心Ｏ）に沿って中空部５２が形成された管状線材５０を使用することで、給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）を軽量化している。
【００５８】
また、このように給電用コイルを管状線材５０を用いて構成する場合、給電用コイルの軽量化を図るだけであれば、一般的なパイプのように、管状線材５０の断面中心Ｏと中空部５２の中心Ｐとを一致させればよい。
【００５９】
しかし、給電用コイルは、管状線材５０をループ状に巻回することにより構成されることから、大電流（高周波信号）を流すと、単に、表皮効果によってコイル表面に電流が分
布するだけでなく、その電流密度が、図２に示すように、給電用コイルのループの内側ほど高くなることがわかった。
【００６０】
そして、このように、電力伝送時の電流密度が、給電用コイルのループの内側で高くなると、それに伴い、コイル表面での発熱量もループの内側部分で多くなり、給電用コイル全体では発熱量が不均一になり、コイル表面からの放熱を効率よく行うことができない。
【００６１】
そこで、電力伝送時に給電用コイルに発生する熱を効率よく放熱するには、給電用コイルをどのように構成すればよいのか検討したところ、下記のシミュレーション結果から、図３に示すように、管状線材５０の外周と中空部側内周との間の厚みが、給電用コイルのループの外側の厚みａに比べ、ループの内側の厚みｃの方が大きくなるよう、中空部５２の中心Ｐを、管状線材５０の断面中心Ｏに対し、給電用コイルのループの外側に偏心させるとよいことが判った。
【００６２】
そこで、本実施形態では、中空部５２の中心Ｐを管状線材５０の断面中心Ｏに対し偏心させた管状線材５０をループ状に巻回することにより、給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）を形成し、しかも、管状線材５０をループ状に巻回する際には、給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）のループの内側の方が、ループの外側よりも肉厚になるよう、管状線材５０を配置するようにしている。
【００６３】
従って、本実施形態の給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）によれば、給電用コイル自体の軽量化を図り、しかも、電力伝送時に送電用コイル３２及び受電用コイル１２に発生する熱を、各コイル３２、１２から効率よく放熱させることができるようになる。
［シミュレーション結果］
次に、給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）を上記のように構成するに当たって行ったシミュレーションについて説明する。
【００６４】
図４に示すように、このシミュレーションは、実施条件として、管状線材５０を、その断面中心Ｏに沿った面にて２分割し、その２分割した外周の一端に熱源を配置し、その外周の他端を観測点とする給電用コイルの熱観測モデルを構築し、給電用コイルの温度を２０°Ｃ、熱源の温度を５０°Ｃとして、熱源からの熱が観測点に伝わり、給電用コイルの温度が均一（４９°Ｃ）になるまでの時間を測定した。
【００６５】
また、その測定（シミュレーション）は、管状線材５０の外径を４０ｍｍ、観測点側の管状線材５０の外周と中空部５２の内周との間の肉厚をａ、熱源側の管状線材５０の外周と中空部５２の内周との間の肉厚をｃ、中空部５２の内径をｂとし、これら各パラメータａ、ｂ、ｃを変化させることにより行った。
【００６６】
なお、管状線材５０の外径を４０ｍｍとしたのは、自動車における普通充電では２ｋｗ〜４ｋＷ程度の電力伝送が要求され、急速充電では最大５０ｋＷの電力伝送が要求される、と考えられ、この電力伝送を実現するには、コイル線径は最低でも２０ｍｍは必要になるからである。
【００６７】
図５は、給電用コイルのループの外側を想定した観測点側の肉厚ａを、それぞれ、５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍとし、給電用コイルのループの内側を想定した熱源側の肉厚ｃを、肉厚ａの１倍、２倍、３倍…と変化させて、各条件下で熱源からの熱が観測点に伝わるまでの時間を測定したシミュレーション結果を表している。
【００６８】
そして、このシミュレーション結果から、給電コイルのループの外側の肉厚ａとループ
の内側の肉厚ｃとを同一にした標準的なパイプ形状では、肉厚ａが５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍのいずれであっても、熱源から観測点に熱が伝わるまでの時間が３０秒以上かかっているのに対し、給電コイルのループの外側の肉厚ａに対するループの内側の肉厚ｃを２倍以上にすれば、熱源から観測点に熱が伝わるまでの時間を、約２５％以上短縮でき、コイル表面からの放熱効率を改善できることが判る。
【００６９】
また、肉厚ａに対する肉厚ｃの比率を、２倍から４倍程度まで増加させれば、熱源から観測点に熱が伝わるまでの伝導時間が短くなるので、放熱効率を改善することはできるが、その比率が４倍を超えると伝導時間の改善傾向が少なくなるので、肉厚ａに対する肉厚ｃの比率は、４倍程度にするとよいことが判る。
【００７０】
なお、このシミュレーションにおける熱解析には、米国ソリッドワークス社の熱流体解析ソフト「SolidWorks Flow Simulation (ver.2010)」（登録商標) を利用した。
一方、管状線材５０において、給電用コイルのループの内側の肉厚ｃをループの外側の肉厚ａに比べて厚くするにしても、基準となる肉厚ａが厚く、肉厚ａに対する肉厚ｃの比率が大きいほど、中空部５２の径ｂが小さくなる。そして、中空部５２の径ｂが小さくなるほど、給電用コイルを管状線材５０にて形成することによる軽量化の効果が低減する。
【００７１】
給電用コイルの軽量化のためには、管状線材５０全体の断面積に対する中空部５２の面積の比率を確保した上で、管状線材５０における肉厚ａ及び肉厚ａに対する肉厚ｃの比率を設定することが望ましい。
【００７２】
つまり、中空部５２の偏心位置によって中空部５２の中心軸方向の長さが変化するので、管状線材５０全体の断面積に対する中空部５２の面積の比率と、給電用コイルの重量とは、必ずしも比例するものではないが、中空部５２の偏心位置の変化に伴う中空部５２の長さの変化は小さいことから、その変化を無視すれば、管状線材５０全体の断面積に対する中空部５２の面積の比率と給電用コイルの重量とは比例するといえる。
【００７３】
そして、このようにこれらが比例するとして、管状線材５０の重量を、中空部５２を形成していない線材の重量に比べ、略半分に削減するには、管状線材５０の外径に対する中空部５２側内径の比率を７０％以上にすればよい。
【００７４】
つまり、管状線材５０の半径をｒとすると、管状線材５０の断面積は、「πｒ2 」となる。
そして、管状線材５０の重量を、中空部５２を形成していない線材の重量の約半分にするには、管状線材５０の断面積に対する中空部５２の断面積の比率を約５０％にすればよく、そのためには、管状線材５０の半径ｒに対する中空部５２の半径の比率ｘを次式の通り、約７０％にすればよい。
【００７５】
０．５×πｒ2 ＝π（ｘｒ）2
０．５＝ｘ2
∴ｘ＝０．７０７１０７
この結果、中空部５２を備えた管状線材５０を利用することで、給電用コイルの重量を５０％程度若しくはそれ以上軽減するには、管状線材５０の外径に対する中空部５２側内径ｂの比率を７０％以上にすればよいことになる。
【００７６】
なお、管状線材５０の外径に対する中空部５２側内径ｂの比率の上限は、管状線材５０の外径や材質等によって設定条件が異なることから、数値で規定することは困難であるが、管状線材５０において給電用コイルのループの外側の肉厚（つまり、管状線材５０において最も薄くなる肉厚）を、給電用コイルとしての強度を確保し得る肉厚にできるように
設定すればよい。
【００７７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態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内にて種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施形態では、受電用コイル１２及び送電用コイル３２を管状線材５０にて構成し、しかも管状線材５０の中空部５２を、管状線材５０の断面中心から各コイル１２，３２のループの内側に偏心させることで、受電用コイル１２及び送電用コイル３２の放熱効率を高め、電力伝送時に、これら各コイル１２、３２に大電流を流せるようにしたが、これら各コイル１２、３２の放熱効率を更に高めるには、各コイル１２、３２の外壁に凹凸を形成することで、表面積を増加させるようにしてもよい。
【００７８】
また、例えば、各コイル１２、３２を構成する管状線材５０の中空部５２に冷却材を充填することで、管状線材５０の内側から管状線材５０自体を冷却するようにしてもよい。
一方、上記実施形態では、受電用コイル１２及び送電用コイル３２は、断面円形の管状線材５０にて構成されるものとして説明したが、管状線材５０は、断面が三角形若しくはそれ以上の多角形であっても、給電用コイル（受電用コイル１２、送電用コイル３２）のループの内側で電流密度が高くなって発熱し易くなるので、上記実施形態と同様に、管状線材５０の中心軸からループの内側に偏心させて中空部５２を形成すれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
また、同様に、管状線材５０の中空部５２についても、必ずしも断面円形にする必要はなく、三角形若しくはそれ以上の多角形であってもよい。
また、上記実施形態では、非接触給電用コイル（受電用コイル１２、送電用コイル３２）は、巻き数が１回の１ターンコイルであるものとして説明したが、これは説明を簡単にするためであり、非接触給電用コイルの巻き数については、必要に応じて適宜増加させてもよい。
【００８０】
そして、この場合、管状線材５０の巻き方については、ループ状であっても、二重螺旋状に巻かれたヘリカルコイルのようなものであってもよい。
また次に、上記実施形態では、非接触給電用コイル（受電用コイル１２、送電用コイル３２）は、ＯＦＤＭ変調された多数のサブキャリアを送受信することで、電力伝送する非接触給電システムに適用されるものとして説明したが、本発明の非接触給電用コイルは、一定周波数の電力伝送用高周波信号を電磁誘導若しくは磁界／電界の共鳴により非接触伝送するシステムであれば、適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
２…車両、４…バッテリ、１０…受電装置、１２…受電用コイル、１４，１６…方向性結合器、１８…整流平滑回路、２０…充電回路、２２…受電量検出部、２４…無線通信部、２８…受電制御部、３０…送電装置、３２…送電用コイル、３４…有線通信部、３６…送電制御部、３８…無線通信部、４２…歪補償部、４４…電力変換部、４６…方向性結合器、４８…送電用電源回路、５０…管状線材、５２…中空部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触電力伝送に用いられる非接触給電用コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンとモータとを動力源とするハイブリッド車やモータのみを動力源とする電気自動車に対しバッテリ充電用の電力を供給するシステムとして、送電用コイルと受電用コイルとの間の電磁誘導若しくは磁界／電界の共鳴により、非接触に電力供給を行うシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、この種のシステムにおいては、電力伝送に用いられる給電用コイル（送電用コイルや受電用コイル）の発熱を防止するため、給電用コイルをボビンに巻回して、ボビンの内側からコイルに向けて冷却用の空気を送風する冷却装置を設けることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願２０１０−０６８６３２号公報
【特許文献２】特願２０１０−２８４０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような非接触電力伝送システムにおいて、伝送可能な電力を増大するには、送電及び受電に用いられる給電用コイルに大電流を流す必要があるため、給電用コイルを構成する導電性線材の径を太くする必要がある。
【０００６】
しかし、このように給電用コイルを構成する導電性線材の径を太くすると、要求電力の伝送時間（延いては、バッテリへの充電時間）を短くすることはできるものの、給電用コイルの重量が増加する。
【０００７】
このため、軽量化が要求される車両に搭載するには不適切であった。
また、給電用コイルに大電流を流すようにすると、給電用コイルでの電力損失が大きくなるので、給電用コイルからの発熱量も増大する。
【０００８】
このため、給電用コイルにより伝送可能な電力を増大するには、給電用コイル自体の発熱を抑制するため、上記のような冷却装置で外から冷却するだけでなく、給電用コイルを、より放熱し易い構造にすることが要求される。
【０００９】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、軽量化し易く、しかも、容易に放熱効率を高めることのできる非接触給電用コイルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、導電性の線材をループ状に巻回してなる非接触給電用コイルであって、前記線材は、中心軸方向に中空部が形成された管状線材からなることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材の断面を見たとき、前記中空部は、前記管状線材の中心位置から偏心した位置に
形成されており、当該非接触給電用コイルは、前記管状線材を巻回することにより、前記管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの内側の方がループの外側よりも厚くなるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材は、当該管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの外側の厚みに対し、ループの内側の厚みが少なくとも２倍以上になるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の非接触給電用コイル。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材は、当該管状線材の外径に対する前記中空部側内径の比率が、少なくとも７０％以上となるように形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材の外壁には凹凸が形成されていることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の非接触給電用コイルにおいて、前記管状線材の中空部には、冷却材が充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の非接触給電用コイルによれば、当該非接触給電用コイルを構成する線材として、中心軸方向に中空部が形成された管状線材が用いられることから、非接触給電用コイル自体の軽量化を図ることができる。
【００１６】
また、このように中空部が形成された管状線材を用いることができるのは、非接触電力伝送では、非接触給電用コイルに高周波信号が供給され、非接触給電用コイルに流れる電流は、表皮効果によって非接触給電用コイルの表面に集中するからである。
【００１７】
つまり、本発明の非接触給電用コイルによれば、線材に中空部を有する管状線材を用いることにより、電力伝送能力が低下することはない。
よって、本発明の非接触給電用コイルによれば、伝送可能な電力量を増加するために、線材の外径を太くしても、非接触給電用コイル自体の重量が増加するのを防止することができ、軽量化が要求される車両へも容易に搭載できるようになる。
【００１８】
ところで、非接触給電用コイルでは、電力伝送用の電流が表皮効果によってコイル表面に集中するが、非接触給電用コイルは、導電性の線材（本発明では管状線材）を巻回することにより構成されることから、コイル表面での電流密度が均一にならないことが考えられる。
【００１９】
そこで、本発明者らが電力伝送時の送電用コイル及び受電用コイルにおけるコイル表面での電流密度を調べたところ、両コイル共、ループの内側が電流密度が高く、ループの外側が電流密度が低くなることが分かった。
【００２０】
そして、このように、非接触給電用コイルにおいて、電力伝送時の電流密度がコイル表面で均一にならない場合、電流密度が高い箇所（つまり、非接触給電用コイルのループの内側）程、発熱量が多くなり、その部分の放熱をし易くする必要がある。
【００２１】
そこで、請求項２に記載の非接触給電用コイルにおいては、管状線材として、その断面を見たときに、中空部が管状線材の中心位置から偏心した位置になるように形成された管状線材を使用し、この管状線材を、管状線材の外周と中空部側内周との間の厚みが、当該
非接触給電用コイルのループの内側の方がループの外側よりも厚くなるように巻回することで、非接触給電用コイルを形成するようにされている。
【００２２】
これは、非接触給電用コイルを構成する管状線材において、非接触給電用コイルのループの内側から外側へ熱を逃がして、非接触給電用コイルの表面全体で放熱させるには、管状線材の肉厚（詳しくは、管状線材の外周と中空部側内周との間の厚み）をどのようにすればよいかを、後述のシミュレーション等によって検討したところ、ループの内側の肉厚をループの外側の肉厚よりも大きくすればよいことが分かったためである。
【００２３】
このため、請求項２に記載の非接触給電用コイルによれば、電力伝送時にコイル表面で電流密度が均一にならず、非接触給電用コイルのループの内側で発熱量が多くなっても、その熱を、非接触給電用コイルのループの外側に逃がし、非接触給電用コイルの表面全体で効率よく放熱することができるようになる。
【００２４】
なお、後述のシミュレーション結果によれば、非接触給電用コイルにおいて、管状線材のループの内側の肉厚を、ループの外側の肉厚に比べて、２倍以上にすると、良好な放熱効果が得られることが分かった。
【００２５】
このため、管状線材は、請求項３に記載のように、当該管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの外側の厚みに対し、ループの内側の厚みが少なくとも２倍以上になるように形成することが望ましい。
【００２６】
一方、管状線材において、非接触給電用コイルのループの内側の肉厚をループの外側の肉厚に比べて厚くするにしても、その厚みを厚くすればするほど、中空部の径が小さくなり、非接触給電用コイルを構成する線材に中空部を形成することによる軽量化の効果が低減する。
【００２７】
そこで、管状線材は、請求項４に記載のように、管状線材の外径に対する中空部側内径の比率が、少なくとも７０％以上となるように、上記各部の肉厚を設定することが望ましい。
【００２８】
つまり、管状線材の外径に対する中空部側内径の比率を７０％以上にすれば、中空部のない線材を使って非接触給電用コイルを形成した場合に比べて、５０％程度若しくはそれ以上の軽量化を図ることができる。
【００２９】
なお、管状線材の外径に対する中空部側内径の比率の上限は、管状線材の外径や材質等によって異なるため、数値で規定することはできないが、管状線材において非接触給電用コイルのループの外側の肉厚（つまり、管状線材において最も薄くなる肉厚）を、給電用コイルとしての強度を確保し得る肉厚にできるように設定すればよい。
【００３０】
また次に、非接触給電用コイルの放熱効果をより高めるには、請求項５に記載のように、管状線材の外壁に凹凸を形成することで、その表面積を増加させるようにしてもよい。
また、請求項６に記載のように、管状線材の中空部に冷却材を充填することで、管状線材の内側から管状線材自体を冷却するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態の非接触給電システムの構成を表すブロック図である。
【図２】実施形態の送電及び受電用のコイルの外観を表す概略斜視図である。
【図３】実施形態の送電及び受電用のコイルの断面を表す断面図である。
【図４】非接触給電用コイルにおける放熱効果のシミュレーション実施条件を説明する説明図である。
【図５】非接触給電用コイルにおける放熱効果のシミュレーション結果を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示すように、本実施形態の非接触給電システムは、車両に搭載された受電装置１０に対し、所定の給電場所の路面に埋設された送電装置３０から、非接触で電力供給を行うためのものである。
【００３３】
ここで、まず、受電装置１０は、ハイブリッド車や電気自動車等からなる車両に搭載され、送電装置３０から受電した電力にて、車両の動力源となるモータに電源供給を行うバッテリ４を充電するためのものであり、送電装置３０からの供給電力を受電するために車両の底部に設けられた受電用コイル１２を備える。
【００３４】
なお、受電用コイル１２及び後述の送電用コイル３２は、車幅が１５００ｍｍ〜１８００ｍｍ程度の自動車において、車幅の半分から４分の１程度を占有し、且つ、路車間で電力伝送用の高周波信号（例えば、十数ＭＨｚ帯）を送受信することを想定し、ループの直径が３００ｍｍ〜６００ｍｍ程度となるように形成されており、以下の説明で通信若しくは電力伝送に用いられるＯＦＤＭ変調信号のサブキャリアは、これら各コイル１２、３２で送受信可能である。
【００３５】
また次に、受電装置１０には、受電用コイル１２が受信した受信信号（電力）を整流し平滑化する整流平滑回路１８、整流平滑回路１８からの出力に基づきバッテリ４を充電する充電回路２０、及び、整流平滑回路１８からの出力に基づき、受電した電力量（受電量）を検出する受電量検出部２２が備えられている。
【００３６】
なお、充電回路２０は、外部のプラグイン用電源装置から電源プラグを介して入力される電力でもバッテリ４を充電できるようになっているが、この充電系統については本発明と関係がないので、説明を省略する。
【００３７】
また、受電装置１０には、受電用コイル１２を介して送電装置３０との間で無線通信するための無線通信部２４、及び、この無線通信部２４を介して送電装置３０に送電要求を送信したり、送電装置３０から送信された情報を取得し、充電回路２０を制御する受電制御部２８が備えられている。
【００３８】
受電制御部２８は、ＣＰＵを中心とするマイクロコンピュータにて構成されており、車両に搭載されたモータ制御用のＥＣＵ（電子制御装置）６を始めとする各種ＥＣＵとの間で、車内ＬＡＮを介してデータ通信を行い、車両ＩＤや車両運転者からの充電要求、バッテリ４の残容量等、送電装置３０から電力供給を受けるのに必要な各種情報を取得する。
【００３９】
そして、受電制御部２８は、車両運転者から充電要求を受けると、無線通信部２４に車両ＩＤやバッテリ４の残容量等の車両情報を表す送信データを出力することで、受電用コイル１２から車両情報を送信させる。
【００４０】
また、受電制御部２８は、送電装置３０から電力供給を受けているときには、送電装置３０から通知される送電電力量を、無線通信部２４を介して取得し、その取得した送電電力量と受電量検出部２２で検出される受電電力量とを比較し、これらの差が閾値を超えた際には、送受電に異常があると判断して、充電回路２０による充電を停止したり、その旨を表す異常情報を無線通信部２４に出力することで、受電用コイル１２から異常情報を送
信させる。
【００４１】
また、無線通信部２４は、ＯＦＤＭ変調部２５とＯＦＤＭ復調部２６とから構成されており、受電制御部２８から入力される送信情報をＯＦＤＭ変調部２５にて変調して、方向性結合器１４を介して受電用コイル１２に出力し、ＯＦＤＭ復調部２６には、受電用コイル１２から方向性結合器１４、１６を介して受信信号を入力するようにされている。
【００４２】
なお、方向性結合器１４は、受電用コイル１２からの受信信号を方向性結合器１６側に伝送し、ＯＦＤＭ変調部２５からの送信信号を受電用コイル１２側に伝送するためのものであり、方向性結合器１６は、方向性結合器１４を介して入力される受信信号の殆どを整流平滑回路１８側に伝送し、その受信信号の一部（−５０ｄＢ〜−６０ｄＢ程度）をＯＦＤＭ復調部２６側に伝送する。
【００４３】
次に、送電装置３０は、図３に示すように、車両２の受電装置１０に設けられた受電用コイル１２との間で送受信するための送電用コイル３２と、外部の管理装置との間で通信を行うための有線通信部３４と、ＣＰＵを中心とするマイクロコンピュータにて構成された送電制御部３６と、送電用コイル３２を介して受電装置１０との間で無線通信をしたり、受電装置１０への電力供給量を制御したりするための無線通信部３８と、送電用電源回路４８から電力供給を受けて、無線通信部３８からの出力を送電用に電力変換（例えば、Ｄ級増幅）する電力変換部４４と、電力変換部４４での電力変換により発生する歪成分（換言すれば不要な信号成分）を相殺するために、無線通信部３８から電力変換部４４に出力される送信信号（詳しくはＯＦＤＭ変調信号）を補正する歪補償部４２と、電力変換部４４からの出力（送信信号）を送電用コイル３２側に伝送し、送電用コイル３２にて受信された受信信号を無線通信部３８側に伝送する方向性結合器４６と、から構成されている。
【００４４】
ここで、送電用電源回路４８は、商用電源等の外部電源から電源供給を受けて、電力変換部４４駆動用の電源電圧を生成するものであり、送電制御部３６や無線通信部３８等に電源供給を行う定電圧電源回路（図示せず）とは別に、大電力送電用の電源回路として設けられている。
【００４５】
また、無線通信部３８は、ＯＦＤＭ変調部４０とＯＦＤＭ復調部４１とから構成されており、ＯＦＤＭ変調部４０は、送電制御部３６からの指令に従い、送信に用いる電波の波数や各電波の変調方式を切り換え可能に構成されている。
【００４６】
そして、送電制御部３６は、送電用コイル３２で受信され、ＯＦＤＭ復調部４１にて復調された受電装置１０からの車両情報（詳しくは、車両ＩＤやバッテリ４の残容量等）に基づき、受電装置１０を搭載した車両が電力供給可能なエリア内に侵入したことを検知し、受電装置１０に供給すべき送電電力量を算出する。
【００４７】
そして、送電制御部３６は、その算出した送電電力量に基づき、ＯＦＤＭ変調部４０から送信させるＯＦＤＭ信号のサブキャリアの波数及びその変調方式（ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ等の位相変調の何れか）を設定し、ＯＦＤＭ変調部４０にＯＦＤＭ変調信号を生成させる。また、サブキャリアの変調用のデータとして、現在の送電電力量等を表す情報を出力する。
【００４８】
この結果、ＯＦＤＭ変調部４０からは、送電電力量を表す情報にて変調された所定波数のＯＦＤＭ変調信号が出力され、その信号が歪補償部４２を介して電力変換部４４に入力され、電力変換部４４にて例えばＤ級増幅されて、送電用コイル３２から受電用コイル１２へと非接触伝送される。
【００４９】
なお、受電装置１０において、受電用コイル１２は車両の底部に設けられているため、送電装置３０の送電用コイル３２は、低損失で電力伝送を行うために、車両を停車可能な路面に埋設されている。
【００５０】
このように構成された本実施形態の非接触給電システムによれば、送電装置３０が、ＯＦＤＭ変調部４０により多数のサブキャリアからなるＯＦＤＭ変調信号を発生させ、そのＯＦＤＭ変調信号を、電力変換部４４にて電力増幅して、送電用コイル３２から送電させる。
【００５１】
このため、単一のキャリアで電力伝送する場合に比べて、ＯＦＤＭ変調信号を構成しているサブキャリア１波当たりの送信電力を少なくして、給電時の各波の電界強度を小さくすることができる。
【００５２】
つまり、本実施形態の送電装置３０によれば、ＯＦＤＭ変調信号を構成するサブキャリア毎の電界強度を許容範囲内に制限しつつ、サブキャリアの数を変化させることにより、受電装置１０に供給可能な電力量を制御することができ、受電装置１０に対し必要な電力を効率よく供給することができる。
【００５３】
このように、本実施形態の非接触給電システムによれば、送電用コイル３２及び受電用コイル１２を使って非接触電力伝送を行うことができ、しかも、その電力伝送に多数のサブキャリアにて構成されるＯＦＤＭ信号を利用するので、各サブキャリアを合成した大電力を伝送することができるが、その電力伝送に用いられる送電用コイル３２及び受電用コイル１２には、大電流が流れることになる。
【００５４】
そこで、本実施形態では、これら送電用コイル３２及び受電用コイル１２に大電流を流すことができるように、図２に示すように、これら各コイル３２、１２を、外径が数ｃｍの極太の線材を使ってループ状に形成し、その両端に共振用のコンデンサを設けることにより構成している。
【００５５】
ところで、このように、非接触給電用コイル（つまり、送電用コイル３２及び受電用コイル１２、以下、単に給電用コイルともいう）を用いて非接触伝送可能な電力量を増加するために、給電用コイルを構成する線材の径を大きくすると、給電用コイルの重量が増加する。
【００５６】
また、この場合、特に、車両に搭載される受電用コイル１２では、車両の重量が増加することになるので、車両のエネルギ消費効率を悪化させてしまう。
一方、給電用コイルを構成する線材の径を大きくして、大電流（高周波信号）を流すと、表皮効果によって、コイル表面に電流が分布する。
【００５７】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、給電用コイルを構成する線材に、その線材の中心軸（図に示す断面中心Ｏ）に沿って中空部５２が形成された管状線材５０を使用することで、給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）を軽量化している。
【００５８】
また、このように給電用コイルを管状線材５０を用いて構成する場合、給電用コイルの軽量化を図るだけであれば、一般的なパイプのように、管状線材５０の断面中心Ｏと中空部５２の中心Ｐとを一致させればよい。
【００５９】
しかし、給電用コイルは、管状線材５０をループ状に巻回することにより構成されることから、大電流（高周波信号）を流すと、単に、表皮効果によってコイル表面に電流が分
布するだけでなく、その電流密度が、図２に示すように、給電用コイルのループの内側ほど高くなることがわかった。
【００６０】
そして、このように、電力伝送時の電流密度が、給電用コイルのループの内側で高くなると、それに伴い、コイル表面での発熱量もループの内側部分で多くなり、給電用コイル全体では発熱量が不均一になり、コイル表面からの放熱を効率よく行うことができない。
【００６１】
そこで、電力伝送時に給電用コイルに発生する熱を効率よく放熱するには、給電用コイルをどのように構成すればよいのか検討したところ、下記のシミュレーション結果から、図３に示すように、管状線材５０の外周と中空部側内周との間の厚みが、給電用コイルのループの外側の厚みａに比べ、ループの内側の厚みｃの方が大きくなるよう、中空部５２の中心Ｐを、管状線材５０の断面中心Ｏに対し、給電用コイルのループの外側に偏心させるとよいことが判った。
【００６２】
そこで、本実施形態では、中空部５２の中心Ｐを管状線材５０の断面中心Ｏに対し偏心させた管状線材５０をループ状に巻回することにより、給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）を形成し、しかも、管状線材５０をループ状に巻回する際には、給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）のループの内側の方が、ループの外側よりも肉厚になるよう、管状線材５０を配置するようにしている。
【００６３】
従って、本実施形態の給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）によれば、給電用コイル自体の軽量化を図り、しかも、電力伝送時に送電用コイル３２及び受電用コイル１２に発生する熱を、各コイル３２、１２から効率よく放熱させることができるようになる。
［シミュレーション結果］
次に、給電用コイル（送電用コイル３２、受電用コイル１２）を上記のように構成するに当たって行ったシミュレーションについて説明する。
【００６４】
図４に示すように、このシミュレーションは、実施条件として、管状線材５０を、その断面中心Ｏに沿った面にて２分割し、その２分割した外周の一端に熱源を配置し、その外周の他端を観測点とする給電用コイルの熱観測モデルを構築し、給電用コイルの温度を２０°Ｃ、熱源の温度を５０°Ｃとして、熱源からの熱が観測点に伝わり、給電用コイルの温度が均一（４９°Ｃ）になるまでの時間を測定した。
【００６５】
また、その測定（シミュレーション）は、管状線材５０の外径を４０ｍｍ、観測点側の管状線材５０の外周と中空部５２の内周との間の肉厚をａ、熱源側の管状線材５０の外周と中空部５２の内周との間の肉厚をｃ、中空部５２の内径をｂとし、これら各パラメータａ、ｂ、ｃを変化させることにより行った。
【００６６】
なお、管状線材５０の外径を４０ｍｍとしたのは、自動車における普通充電では２ｋｗ〜４ｋＷ程度の電力伝送が要求され、急速充電では最大５０ｋＷの電力伝送が要求される、と考えられ、この電力伝送を実現するには、コイル線径は最低でも２０ｍｍは必要になるからである。
【００６７】
図５は、給電用コイルのループの外側を想定した観測点側の肉厚ａを、それぞれ、５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍとし、給電用コイルのループの内側を想定した熱源側の肉厚ｃを、肉厚ａの１倍、２倍、３倍…と変化させて、各条件下で熱源からの熱が観測点に伝わるまでの時間を測定したシミュレーション結果を表している。
【００６８】
そして、このシミュレーション結果から、給電コイルのループの外側の肉厚ａとループ
の内側の肉厚ｃとを同一にした標準的なパイプ形状では、肉厚ａが５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍのいずれであっても、熱源から観測点に熱が伝わるまでの時間が３０秒以上かかっているのに対し、給電コイルのループの外側の肉厚ａに対するループの内側の肉厚ｃを２倍以上にすれば、熱源から観測点に熱が伝わるまでの時間を、約２５％以上短縮でき、コイル表面からの放熱効率を改善できることが判る。
【００６９】
また、肉厚ａに対する肉厚ｃの比率を、２倍から４倍程度まで増加させれば、熱源から観測点に熱が伝わるまでの伝導時間が短くなるので、放熱効率を改善することはできるが、その比率が４倍を超えると伝導時間の改善傾向が少なくなるので、肉厚ａに対する肉厚ｃの比率は、４倍程度にするとよいことが判る。
【００７０】
なお、このシミュレーションにおける熱解析には、米国ソリッドワークス社の熱流体解析ソフト「SolidWorks Flow Simulation (ver.2010)」（登録商標) を利用した。
一方、管状線材５０において、給電用コイルのループの内側の肉厚ｃをループの外側の肉厚ａに比べて厚くするにしても、基準となる肉厚ａが厚く、肉厚ａに対する肉厚ｃの比率が大きいほど、中空部５２の径ｂが小さくなる。そして、中空部５２の径ｂが小さくなるほど、給電用コイルを管状線材５０にて形成することによる軽量化の効果が低減する。
【００７１】
給電用コイルの軽量化のためには、管状線材５０全体の断面積に対する中空部５２の面積の比率を確保した上で、管状線材５０における肉厚ａ及び肉厚ａに対する肉厚ｃの比率を設定することが望ましい。
【００７２】
つまり、中空部５２の偏心位置によって中空部５２の中心軸方向の長さが変化するので、管状線材５０全体の断面積に対する中空部５２の面積の比率と、給電用コイルの重量とは、必ずしも比例するものではないが、中空部５２の偏心位置の変化に伴う中空部５２の長さの変化は小さいことから、その変化を無視すれば、管状線材５０全体の断面積に対する中空部５２の面積の比率と給電用コイルの重量とは比例するといえる。
【００７３】
そして、このようにこれらが比例するとして、管状線材５０の重量を、中空部５２を形成していない線材の重量に比べ、略半分に削減するには、管状線材５０の外径に対する中空部５２側内径の比率を７０％以上にすればよい。
【００７４】
つまり、管状線材５０の半径をｒとすると、管状線材５０の断面積は、「πｒ2 」となる。
そして、管状線材５０の重量を、中空部５２を形成していない線材の重量の約半分にするには、管状線材５０の断面積に対する中空部５２の断面積の比率を約５０％にすればよく、そのためには、管状線材５０の半径ｒに対する中空部５２の半径の比率ｘを次式の通り、約７０％にすればよい。
【００７５】
０．５×πｒ2 ＝π（ｘｒ）2
０．５＝ｘ2
∴ｘ＝０．７０７１０７
この結果、中空部５２を備えた管状線材５０を利用することで、給電用コイルの重量を５０％程度若しくはそれ以上軽減するには、管状線材５０の外径に対する中空部５２側内径ｂの比率を７０％以上にすればよいことになる。
【００７６】
なお、管状線材５０の外径に対する中空部５２側内径ｂの比率の上限は、管状線材５０の外径や材質等によって設定条件が異なることから、数値で規定することは困難であるが、管状線材５０において給電用コイルのループの外側の肉厚（つまり、管状線材５０において最も薄くなる肉厚）を、給電用コイルとしての強度を確保し得る肉厚にできるように
設定すればよい。
【００７７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態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内にて種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施形態では、受電用コイル１２及び送電用コイル３２を管状線材５０にて構成し、しかも管状線材５０の中空部５２を、管状線材５０の断面中心から各コイル１２，３２のループの内側に偏心させることで、受電用コイル１２及び送電用コイル３２の放熱効率を高め、電力伝送時に、これら各コイル１２、３２に大電流を流せるようにしたが、これら各コイル１２、３２の放熱効率を更に高めるには、各コイル１２、３２の外壁に凹凸を形成することで、表面積を増加させるようにしてもよい。
【００７８】
また、例えば、各コイル１２、３２を構成する管状線材５０の中空部５２に冷却材を充填することで、管状線材５０の内側から管状線材５０自体を冷却するようにしてもよい。
一方、上記実施形態では、受電用コイル１２及び送電用コイル３２は、断面円形の管状線材５０にて構成されるものとして説明したが、管状線材５０は、断面が三角形若しくはそれ以上の多角形であっても、給電用コイル（受電用コイル１２、送電用コイル３２）のループの内側で電流密度が高くなって発熱し易くなるので、上記実施形態と同様に、管状線材５０の中心軸からループの内側に偏心させて中空部５２を形成すれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
また、同様に、管状線材５０の中空部５２についても、必ずしも断面円形にする必要はなく、三角形若しくはそれ以上の多角形であってもよい。
また、上記実施形態では、非接触給電用コイル（受電用コイル１２、送電用コイル３２）は、巻き数が１回の１ターンコイルであるものとして説明したが、これは説明を簡単にするためであり、非接触給電用コイルの巻き数については、必要に応じて適宜増加させてもよい。
【００８０】
そして、この場合、管状線材５０の巻き方については、ループ状であっても、二重螺旋状に巻かれたヘリカルコイルのようなものであってもよい。
また次に、上記実施形態では、非接触給電用コイル（受電用コイル１２、送電用コイル３２）は、ＯＦＤＭ変調された多数のサブキャリアを送受信することで、電力伝送する非接触給電システムに適用されるものとして説明したが、本発明の非接触給電用コイルは、一定周波数の電力伝送用高周波信号を電磁誘導若しくは磁界／電界の共鳴により非接触伝送するシステムであれば、適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
２…車両、４…バッテリ、１０…受電装置、１２…受電用コイル、１４，１６…方向性結合器、１８…整流平滑回路、２０…充電回路、２２…受電量検出部、２４…無線通信部、２８…受電制御部、３０…送電装置、３２…送電用コイル、３４…有線通信部、３６…送電制御部、３８…無線通信部、４２…歪補償部、４４…電力変換部、４６…方向性結合器、４８…送電用電源回路、５０…管状線材、５２…中空部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の線材をループ状に巻回してなる非接触給電用コイルであって、
前記線材は、中心軸方向に中空部が形成された管状線材からなることを特徴とする非接触給電用コイル。
【請求項２】
前記管状線材の断面を見たとき、前記中空部は、前記管状線材の中心位置から偏心した位置に形成されており、
当該非接触給電用コイルは、前記管状線材を巻回することにより、前記管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの内側の方がループの外側よりも厚くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電用コイル。
【請求項３】
前記管状線材は、
当該管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの外側の厚みに対し、ループの内側の厚みが少なくとも２倍以上になるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の非接触給電用コイル。
【請求項４】
前記管状線材は、
当該管状線材の外径に対する前記中空部側内径の比率が、少なくとも７０％以上となるように形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の非接触給電用コイル。
【請求項５】
前記管状線材の外壁には凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の非接触給電用コイル。
【請求項６】
前記管状線材の中空部には、冷却材が充填されていることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の非接触給電用コイル。
【請求項１】
導電性の線材をループ状に巻回してなる非接触給電用コイルであって、
前記線材は、中心軸方向に中空部が形成された管状線材からなることを特徴とする非接触給電用コイル。
【請求項２】
前記管状線材の断面を見たとき、前記中空部は、前記管状線材の中心位置から偏心した位置に形成されており、
当該非接触給電用コイルは、前記管状線材を巻回することにより、前記管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの内側の方がループの外側よりも厚くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電用コイル。
【請求項３】
前記管状線材は、
当該管状線材の外周と前記中空部側内周との間の厚みが、当該非接触給電用コイルのループの外側の厚みに対し、ループの内側の厚みが少なくとも２倍以上になるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の非接触給電用コイル。
【請求項４】
前記管状線材は、
当該管状線材の外径に対する前記中空部側内径の比率が、少なくとも７０％以上となるように形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の非接触給電用コイル。
【請求項５】
前記管状線材の外壁には凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の非接触給電用コイル。
【請求項６】
前記管状線材の中空部には、冷却材が充填されていることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の非接触給電用コイル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７７７５２（Ｐ２０１３−７７７５２Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７６７３（Ｐ２０１１−２１７６７３）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００１１３６６５）マスプロ電工株式会社 (395)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００１１３６６５）マスプロ電工株式会社 (395)
【Ｆターム（参考）】
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