JP4759610B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に係り、詳しくは共鳴型の非接触電力伝送装置に関する。

図５に示すように、二つの銅線コイル５１，５２を離れた状態で配置し、一方の銅線コイル５１から他方の銅線コイル５２に電磁場の共鳴によって電力を伝送することが紹介されている（例えば、非特許文献１及び特許文献１参照）。具体的には、交流電源５３に接続された１次コイル５４で発生した磁場を銅線コイル５１，５２による磁場共鳴により増強し、２次コイル５５により増強された銅線コイル５２付近の磁場から電磁誘導を利用して電力を取り出し、負荷５６に供給する。そして、半径３０ｃｍの銅線コイル５１，５２を２ｍ離して配置した場合に、負荷５６としての６０Ｗの電灯を点灯できることが確認されている。
ＮＩＫＫＥＩ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ２００７．１２．３ １１７頁〜１２８頁 国際公開特許ＷＯ／２００７／００８６４６ Ａ２

この共鳴型非接触電力伝送装置において、共鳴コイルとなる各銅線コイル５１，５２の両端は開放となっており、共鳴系の共鳴周波数は銅線コイル５１，５２のインダクタンスとその浮遊容量によって決定される。このため、共鳴周波数を予測することは難しく、実際に測定を行うことでしか知ることはできない。共鳴型非接触電力伝送装置において交流電源の電力を負荷に効率良く供給するには、交流電源から共鳴系の共鳴周波数に合った周波数で交流電圧を出力する必要がある。しかし、共鳴系の共鳴周波数をいちいち測定することは手間がかかる。例えば、交流電源の周波数としてＩＳＭ帯のような特定の周波数を狙った設計をする場合、仮に設定した仕様で共鳴型非接触電力伝送装置を製造して共鳴周波数が狙った共鳴周波数に対応できるか否かを確認し、対応できない場合は共鳴コイルの仕様を変更しなければならず手間がかかるという問題があった。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、共鳴系の共鳴周波数を実際に測定せずに、容易に設計することができるとともに交流電源の電力を負荷に効率良く供給することができる非接触電力伝送装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、交流電源と、前記交流電源に接続された１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続される２次コイルとを有する共鳴系を備える非接触電力伝送装置である。そして、前記１次側共鳴コイル及び前記２次側共鳴コイルにはそれぞれコンデンサが並列に接続されるとともに、前記１次側共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数及び前記２次側共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数は同じに設定され、前記交流電源の出力周波数を前記共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数に合うようにした。

本願発明者は、共鳴コイルにコンデンサを並列に接続した場合、共鳴系の共鳴周波数が共鳴コイルとコンデンサとの共振周波数とおおよそ一致するということを見いだし、この知見に基づいてこの発明を完成した。ここで、「交流電源」とは、交流電圧を出力する電源を意味し、直流電源から入力された直流を交流に変換して出力するものも含む。また、「交流電源の出力周波数を共振周波数に合うようにする」とは、両周波数が完全に一致することだけでなく、非接触電力伝送装置として所望の性能（電力伝送効率等）を達成する範囲内で、例えば、交流電源の出力周波数と共鳴周波数との差が±１０％の範囲内、好ましくは±５％の範囲内、又は±５００ｋＨｚの範囲内であることも意味する。

この発明では、共鳴コイルと共鳴コイルに並列に接続されたコンデンサとの共振周波数に合う出力周波数で交流電源から交流電圧が出力されることにより、共鳴系の共鳴周波数に合った周波数で交流電圧が交流電源から出力される。そのため、非接触電力伝送装置の共鳴周波数を測定してその値となるように交流電源の出力周波数を設定せずに、交流電源の電力を負荷に効率良く供給することができる。また、例えば、共鳴コイルの仕様と交流電源の出力周波数が決められた条件で、非接触電力伝送装置を設計しなければならない場合に、共鳴コイルに並列接続するコンデンサとして、共鳴コイルとコンデンサとの共振周波数が共鳴周波数に合う容量値のコンデンサを使用することで容易に設計することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記コンデンサとして可変コンデンサが使用されている。共鳴コイルの仕様と交流電源の出力周波数が決められた条件で、非接触電力伝送装置を製造する場合、その出力周波数が共鳴周波数に合うようにするには、共鳴コイルとコンデンサとの共振周波数がその共鳴周波数に合うようになる容量値のコンデンサを使用する必要がある。ところが、固定容量のコンデンサを使用する場合、要求する容量値のコンデンサが市販されていない場合があり、市販品では共鳴系の共鳴周波数を所望の周波数にできず、必要な容量値のコンデンサを特別注文で製造してもらうか、自ら製造しなければならなくなる。しかし、この発明では、コンデンサとして可変コンデンサが使用されているため、非接触電力伝送装置を製造する場合、市販のコンデンサを使用して交流電源の出力周波数に共鳴コイルとコンデンサとの共振周波数が合うようにすることができる。また、共鳴コイルの仕様が異なる非接触電力伝送装置を製造する場合でも、同じ可変コンデンサを使用して容量値を変更することで対応できるため、共鳴コイルの仕様に合わせて複数種のコンデンサを準備する必要がない。

本発明によれば、共鳴系の共鳴周波数を実際に測定せずに、容易に設計することができるとともに交流電源の電力を負荷に効率良く供給することができる非接触電力伝送装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、交流電源１１から供給される電力を非接触で伝送する共鳴系１２を備える。共鳴系１２は、交流電源１１に接続された１次コイル１３と、１次側共鳴コイル１４と、２次側共鳴コイル１５と、２次コイル１６とを有する。２次コイル１６は負荷１７に接続されている。交流電源１１は、交流電圧を出力する電源である。交流電源１１の出力交流電圧の周波数は自由に変えられるようになっている。

１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５にはそれぞれコンデンサ１８が並列に接続されている。１次側共鳴コイル１４とコンデンサ１８との共振周波数及び２次側共鳴コイル１５とコンデンサ１８との共振周波数は同じに設定されている。１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５は同じに形成されている。コンデンサ１８として可変コンデンサが使用されており、両コンデンサ１８は容量値が同じに調整されている。そして、交流電源１１は、その出力周波数が共鳴コイルとコンデンサ１８との共振周波数、即ち、１次側共鳴コイル１４とコンデンサ１８との共振周波数及び２次側共鳴コイル１５とコンデンサ１８との共振周波数に合うように設定されている。

非接触電力伝送装置１０は、交流電源１１から１次コイル１３に交流電圧を印加することにより１次コイル１３に磁場を発生させる。この磁場を１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５とによる磁場共鳴により増強し、増強された２次側共鳴コイル１５付近の磁場から２次コイル１６で電磁誘導を利用して電力を取り出し、負荷１７に供給する。

１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６は電線により形成されている。コイルを構成する電線には、例えば、絶縁ビニル被覆線が使用される。コイルの径や巻数は、伝送しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。この実施形態では１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６は、同じ径に形成されている。

次に前記のように構成された非接触電力伝送装置１０の設計方法及び製造方法を説明する。
非接触電力伝送装置１０の設計方法は、先ず、共鳴系１２を構成する１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５の仕様を設定する。仕様としては、例えば、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５を構成する電線の材質の他に電線の太さ、コイルの径、巻数、両共鳴コイル間距離等の両共鳴コイルを製作、設置するのに必要な値がある。次に、１次コイル１３及び２次コイル１６の仕様を設定する。仕様としては、１次コイル１３及び２次コイル１６を構成する電線の材質の他に電線の太さ、コイルの径、巻数がある。通常は電線として銅線が使用される。

次に共鳴系１２の共鳴周波数を設定する。共鳴周波数としては、例えば、２〜７ＭＨｚの周波数が使用される。そして、設定された仕様の１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５にコンデンサ１８を並列に接続したときに、共鳴コイルとコンデンサ１８との共振周波数が設定された共鳴周波数と一致するためのコンデンサ１８の容量値を計算する。そして、その容量値に容量を変更可能な可変コンデンサを使用するコンデンサ１８に設定して、非接触電力伝送装置１０の設計が終了する。これは、実験を通して発明者らが得た「共鳴コイル（１次側共鳴コイル及び２次側共鳴コイル）にコンデンサを並列に接続した場合、共鳴系の共鳴周波数が共鳴コイルとコンデンサとの共振周波数とおおよそ一致する」との知見と、「１次コイルのインピーダンスを変えても共鳴系全体の電力伝送特性に影響を及ぼさない」との知見とに基づく。

前者の知見の裏付けを図２及び図３に示す。図２，３は、負荷１７として抵抗値５０Ωの抵抗を接続し、１次コイル１３への入力交流電圧の周波数を変えた場合の共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎ及び電力伝送効率ηの測定結果である。図２は、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５にそれぞれコンデンサ１８を接続しない場合の結果を示し、図３は、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５にそれぞれコンデンサ１８を接続した場合の結果を示す。

共鳴系１２を構成する各コイルの電線としてサイズが０．５ｓｑ（平方ｍｍ）の自動車用薄肉ビニル絶縁低圧電線（ＡＶＳ線）を使用して、１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６を次の仕様で形成した。

１次コイル１３及び２次コイル１６：巻数…２巻、径…直径３００ｍｍ、密巻
両共鳴コイル１４，１５：巻数…４５巻、径…直径３００ｍｍ、密巻
共鳴コイル間距離：２００ｍｍ
また、入力電圧として１０Ｖｐｐ（振幅５Ｖ）の正弦波１ＭＨｚ〜７ＭＨｚを使用した。

なお、電力伝送効率ηは次のようにして求められる。
電力伝送効率η＝（負荷での消費電力／１次コイルへの入力電力）×１００［％］
共鳴コイルにコンデンサ１８を接続しない場合、図２に示すように、共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎは、極大点及び極小点が２か所ずつ現れた。周波数の低い側の極大点の周波数が並列共振を表す入力インピーダンスＺｉｎの周波数となり、周波数の高い側の極小点の周波数が直列共振を表す入力インピーダンスＺｉｎの周波数となる。共鳴周波数、即ち電力伝送効率ηがピークとなる入力電圧の周波数は、並列共振を表す入力インピーダンスＺｉｎの極大点の周波数と、直列共振を表す入力インピーダンスＺｉｎの極小点の周波数との間の値となる。

一方、共鳴コイルにコンデンサ１８を接続した場合には、図３に示すように、共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎは、極大点及び極小点が１か所ずつ現れ、共鳴周波数、即ち電力伝送効率ηがピークとなる入力電圧の周波数と、並列共振を表す入力インピーダンスＺｉｎの極大点の周波数とがほぼ一致した。２次コイル１６に接続する負荷１７の抵抗値を変えて同様の測定を行った場合も、同様に、共鳴周波数と、並列共振を表す入力インピーダンスＺｉｎの極大点の周波数とがほぼ一致した。したがって、非接触電力伝送装置１０の共鳴周波数を測定せずに、交流電源１１の出力周波数を共鳴コイルとコンデンサ１８との共振周波数に合うよう設定すれば、共鳴周波数で電力伝送が行われる。なお、共鳴コイルにコンデンサ１８を接続した場合、コンデンサ１８を接続しない場合に比べて共鳴周波数が低くなった。

非接触電力伝送装置１０を製造する場合は、設定された仕様で１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６を形成するとともに、共鳴系１２を組み立てる。そして、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５に並列に接続されたコンデンサ１８の容量値が設計で設定された容量値になるように可変コンデンサの容量を調整する。また、１次コイル１３に交流電圧を印加する交流電源１１の出力周波数を共鳴コイルとコンデンサ１８との共振周波数に合うようにする。「交流電源１１の出力周波数を共振周波数に合うようにする」とは、両周波数が完全に一致することだけでなく、例えば、非接触電力伝送装置１０の電力伝送効率８０％以上、または、交流電源１１への反射電力が５％以下等、所望の性能を達成する範囲内での差異は許容される。例えば、交流電源１１の出力周波数と共鳴周波数との差が±１０％の範囲内、好ましくは±５％の範囲内、又は±５００ｋＨｚの範囲内であればよい。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）非接触電力伝送装置１０は、交流電源１１と共鳴系１２とを備え、共鳴系１２は、交流電源１１に接続された１次コイル１３と、１次側共鳴コイル１４と、２次側共鳴コイル１５と、負荷１７が接続される２次コイル１６とを有する。１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５にはそれぞれコンデンサ１８が並列に接続されるとともに、１次側共鳴コイル１４とコンデンサ１８との共振周波数及び２次側共鳴コイル１５とコンデンサ１８との共振周波数は同じに設定されている。そして、交流電源１１の出力周波数を共鳴コイル（１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５）とコンデンサ１８との共振周波数に合うようにした。共鳴コイルとコンデンサ１８との共振周波数は、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５の仕様とコンデンサ１８の容量値とが決まれば計算で求めることができるため、非接触電力伝送装置１０の共鳴周波数を測定せずに交流電源１１の電力を負荷１７に効率良く供給することができる。また、例えば、共鳴コイルの仕様と交流電源１１の出力周波数が決められた条件で、非接触電力伝送装置１０を設計しなければならない場合に、共鳴コイルに並列接続するコンデンサ１８として、共鳴コイルとコンデンサとの共振周波数が共鳴周波数に合う容量値のコンデンサ１８を使用することで、容易に設計することができる。また、非接触電力伝送装置１０の共鳴周波数として、もっぱら通信以外の目的で電波を利用する用途のために設定されているＩＭＳ帯の周波数とする設計も容易となる。

（２）コンデンサ１８として可変コンデンサが使用されている。共鳴コイル（１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５）の仕様と交流電源１１の出力周波数が決められた条件で、非接触電力伝送装置１０を製造する場合、その出力周波数が共鳴周波数に合うようにするには、共鳴コイルとコンデンサ１８との共振周波数がその共鳴周波数に合うようになる容量値のコンデンサ１８を使用する必要がある。ところが、固定容量のコンデンサ１８を使用する場合、要求する容量値のコンデンサ１８が市販されていない場合がある。コンデンサ１８として市販品を使用せずに、所望の容量値のコンデンサ１８を特別注文したり自ら製造したりして使用するとコストが高くなる。コストが高くなるのを回避するには、市販のコンデンサ１８の容量値に合わせて、交流電源１１の出力周波数又は共鳴コイルの仕様を変更しなければならなくなる。しかし、コンデンサ１８として可変コンデンサを使用すれば、非接触電力伝送装置１０を製造する場合、市販のコンデンサ１８を使用して交流電源１１の出力周波数に共鳴コイルとコンデンサ１８との共振周波数が合うようにすることができる。また、共鳴コイルの仕様が異なる非接触電力伝送装置１０を製造する場合でも、同じ可変コンデンサを使用して容量値を変更することで対応できるため、共鳴コイルの仕様に合わせて複数種のコンデンサ１８を準備する必要がない。

（３）共鳴コイル（１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５）にコンデンサ１８が接続されている場合、共鳴コイルにコンデンサ１８が接続されていない場合に比べて共鳴周波数が小さくなる。そのため、交流電源１１として安価なものを使用することができる。また、共鳴周波数が同じ場合、コンデンサ１８を接続しない場合に比べて１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５を小型化することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ コンデンサ１８は可変コンデンサに限らず固定容量コンデンサを使用してもよい。所望の容量値の固定容量コンデンサが市販品として存在すれば、可変コンデンサを使用する場合に比べてコストを低くできる。

○ 交流電源１１は、その出力交流電圧の周波数が自由に変えられる構成に限らず、出力交流電圧の周波数が一定の構成であってもよい。
○ ２次コイル１６に接続される負荷１７として複数段階で使用電力を変更可能な負荷１７が接続された非接触電力伝送装置１０において、共鳴コイルにコンデンサ１８として可変コンデンサを接続するとともに使用者が可変コンデンサの容量を複数段階の使用電力に合わせて調整可能に構成してもよい。

○ 電線を巻回してコイルを形成する場合、コイルは円筒状に限らない。例えば、三角筒状、四角筒状、六角筒状等の多角筒状や楕円筒状等の単純な形状の筒状としたり、対称図形ではなく他の異形断面の筒状としたりしてもよい。

○ １次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５は、電線が筒状に巻回されたコイルに限らず、例えば、図４に示すように、電線が一平面上に巻回された形状としてもよい。

○ コイルは、電線が密巻されて隣接する巻回部が接触する構成でも、巻回部が接触しないように巻回部の間隔を空けて電線が巻回された構成であってもよい。
○ １次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６が全て同じ径に形成されている必要はない。例えば、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５は同じ径で、１次コイル１３及び２次コイル１６は異なる径としてもよい。

○ コイルを構成する電線は、絶縁ビニル被覆線に限らず、エナメル線を使用したり、あるいは裸線を巻回した後に樹脂モールドしたりしてもよい。
○ 電線は断面円形の一般的な銅線に限らず、矩形断面の板状の銅線であってもよい。

○ 電線の材料は銅に限らず、例えば、アルミニウムや銀を用いてもよい。
○ １次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６を電線で形成する代わりに、基板上に設けられた配線パターンで形成してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）交流電源と、前記交流電源に接続された１次コイルと１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルと２次コイルとを有する共鳴系と、前記２次コイルに接続される負荷とを備え、前記１次側共鳴コイル及び前記２次側共鳴コイルにはそれぞれコンデンサが並列に接続されるとともに前記１次側共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数及び前記２次側共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数が同じに設定された非接触電力伝送装置の設計方法であって、
前記交流電源の出力周波数と、前記共鳴系を構成する前記１次側共鳴コイル及び２次側共鳴コイルの仕様とを設定した後、前記１次側共鳴コイル及び２次側共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数が前記交流電源の設定された出力周波数となるように前記コンデンサの容量値を設定する非接触電力伝送装置の設計方法。

（２）交流電源と、前記交流電源に接続された１次コイルと１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルと２次コイルとを有する共鳴系と、前記２次コイルに接続される負荷とを備え、前記１次側共鳴コイル及び前記２次側共鳴コイルにはそれぞれコンデンサが並列に接続されるとともに前記１次側共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数及び前記２次側共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数が同じに設定された非接触電力伝送装置の設計方法であって、
前記共鳴系を構成する前記１次側共鳴コイル、前記２次側共鳴コイル及び前記コンデンサの仕様を設定した後、前記共振周波数を計算し、前記交流電源の出力周波数を前記共振周波数に合うように設定する非接触電力伝送装置の設計方法。

一実施形態の非接触電力伝送装置の構成図。 共鳴コイルにコンデンサを接続しない場合の共鳴系の入力インピーダンス及び電力効率と周波数との関係を示すグラフ。 共鳴コイルにコンデンサを接続した場合の共鳴系の入力インピーダンス及び電力効率と周波数との関係を示すグラフ。 別の実施形態の入力側共鳴コイル及び出力側共鳴コイルの模式図。 従来技術の非接触電力伝送装置の構成図。

符号の説明

１０…非接触電力伝送装置、１１…交流電源、１２…共鳴系、１３…１次コイル、１４…１次側共鳴コイル、１５…２次側共鳴コイル、１６…２次コイル、１７…負荷、１８…コンデンサ。

Claims (2)

1. 交流電源と、前記交流電源に接続された１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続される２次コイルとを有する共鳴系を備える非接触電力伝送装置であって、
   前記１次側共鳴コイル及び前記２次側共鳴コイルにはそれぞれコンデンサが並列に接続されるとともに、前記１次側共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数及び前記２次側共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数は同じに設定され、前記交流電源の出力周波数を前記共鳴コイルと前記コンデンサとの共振周波数に合うようにしたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記コンデンサとして可変コンデンサが使用されている請求項１に記載の非接触電力伝送装置。

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