CN104969441A - 噪声消除共振器 - Google Patents

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Abstract

为了提供噪声减少效果较大的噪声消除共振器，本发明的噪声消除共振器(300)的特征在于，由具有电感成分(Ln)的噪声消除共振器线圈(310)、以及具有电容成分(Cn)的噪声消除共振器电容器(320)构成，具有比作为噪声源且具有主共振器线圈(110)的主共振器(100)所产生的电磁场的规定频率高出根据上述主共振器线圈(110)和上述噪声消除共振器线圈(310)的耦合度确定的移频的量的共振频率。

Description

噪声消除共振器
技术领域
本发明涉及适合于从磁共振方式的使用了磁共振天线的无线电力传输系统放射出的噪声的减少的噪声消除共振器。
背景技术
近年来，开始盛行不使用电源线等，而通过无线来传输电力(电能)的技术的开发。在通过无线来传输电力的方式中，作为特别受关注的技术，有被称为磁共振方式的技术。该磁共振方式是于2007年由麻省理工大学的研究组提出的，与此相关的技术例如在专利文献1(日本特表2009－501510号公报)中被公开。
磁共振方式的无线电力传输系统将送电侧天线的共振频率和受电侧天线的共振频率设为相同，从而从送电侧天线对受电侧天线高效地进行能量传递，其较大的特征之一是能够使电力传输距离成为数十cm～数m。
在电动汽车等车辆的供电站中使用上述那样的磁共振方式的无线电力传输系统的情况下，考虑预先将受电侧天线搭载于车辆的底部，从埋设在地面上的送电侧天线对该受电侧天线进行供电的方法。在这样的电力传输方式中，考虑到送电侧天线与受电侧天线之间完全电磁耦合很困难，经常产生从天线放射出的噪声，且车体底部的金属等因此而发生温度上升等。
因此，需要研究用于在无线电力传输系统中，使从天线产生的噪声减少的方案。
此外，作为减少高频噪声的技术，例如，在专利文献2(日本特开2010－87024号公报)中，公开了在噪声的产生源的附近，设置由具有环状的闭合路径的导体、以及与闭合路径电连接的电容器构成的共振电路。
专利文献1:日本特表2009－501510号公报
专利文献2:日本特开2010－87024号公报
在专利文献2所记载的现有技术中，作为噪声消除用的LC共振器的共振频率，与欲除去的噪声源的频率一致，从而增大噪声减少效果。
然而，特别是作为磁共振方式的使用了磁共振天线的无线电力传输系统中的噪声对策，存在即使使噪声消除共振器的共振频率与噪声源的频率一致，噪声减少效果也未必较大的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，由具有电感成分Ln的噪声消除共振器线圈、以及具有电容成分Cn的噪声消除共振器电容器构成，具有比作为噪声源且具有主共振器线圈的主共振器所产生的电磁场的规定频率高出根据上述主共振器线圈和上述噪声消除共振器线圈的耦合度来确定的移频的量的共振频率。
另外，本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，上述规定频率是上述主共振器产生的电磁场的基本波的频率。
另外，本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，上述规定频率是上述主共振器产生的电磁场的高次谐波的频率。
另外，本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，上述高次谐波是奇次谐波。
另外，本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，上述高次谐波是偶次谐波。
另外，本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，在上述主共振器线圈与上述噪声消除共振器线圈之间的互感成分是Lm时，
上述移频是：
[公式1]
f s = 1 2 π L m C n .
另外，本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，上述主共振器是电力传输用的天线。
另外，本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，Q值是50以上。
本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，具有比具有作为噪声源且主共振器线圈的主共振器所产生的电磁场的规定频率高出根据上述主共振器线圈与上述噪声消除共振器线圈的耦合度确定的移频的量的共振频率，根据这样的本发明所涉及的噪声消除共振器，特别是在磁共振方式的使用了磁共振天线的无线电力传输系统中的噪声对策中，噪声减少效果较大。
附图说明
图1是对本发明的实施方式所涉及的噪声消除共振器与作为噪声源的主共振器之间的耦合进行说明的图。
图2是使传输效率的频率依存性与噪声放射率的频率依存性的图重叠来表示的图。
图3是示意性地表示第一极值频率(磁壁条件耦合时的频率)中的电流与电场的情况的图。
图4是示意性地表示第二极值频率(电壁条件耦合时的频率)中的电流与电场的情况的图。
图5是对通过本发明的实施方式所涉及的噪声消除共振器提高噪声减少效率进行说明的示意图。
图6是示意性地表示将使用了主共振器和副共振器的电力传输系统搭载于车辆的例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，本发明所涉及的噪声消除共振器300特别适合于磁共振方式的使用了磁共振天线的无线电力传输系统中的噪声对策，但并不局限于上述电力传输系统那样的噪声源，能够对各种噪声源提高噪声减少效率。
图1是对本发明的实施方式所涉及的噪声消除共振器300与作为噪声源的主共振器100之间的耦合进行说明的图。
在图1中，假定主共振器100被用作电力传输系统的送电用的天线，主共振器100产生规定的基本频率的电磁场，通过磁共振方式对未图示的受电用的副共振器进行电力的传输。
该主共振器100由具有电感成分L1的主共振器线圈110、以及具有电容成分C1的主共振器电容器120的串联连接构成。
另一方面，噪声消除共振器300假定由具有电感成分Ln的噪声消除共振器线圈310、以及具有电容成分Cn的噪声消除共振器电容器320的串联连接构成，对针对副共振器的电力传输没有帮助，但除去从主共振器100泄漏的电磁场(噪声)。
Lm是主共振器线圈110与噪声消除共振器线圈310之间的互感。
噪声消除共振器300实际上是在端子部(2)具有闭合的构造的结构，但在图1中，视为从主共振器100向噪声消除共振器300的电力传输电路，从而对噪声消除共振器300的特性进行说明。
图2是使如上述那样的图1的电力传输电路中的传输效率的频率依存性与噪声放射率的频率依存性的图重叠来表示的图。在图2中，横轴表示频率，另外，纵轴的S21表示在从端子(1)输入了信号时，通过端子(2)的电力。
如图2所示，在图1的电力传输电路中的电力传输效率的频率特性中，有2个给予2个极值的频率。将频率较低的一方的极值频率定义为第一极值频率，将频率较高的一方的极值频率定义为第二极值频率。另外，在图中，fo表示噪声消除共振器300的共振频率。
在以较低的一方的极值频率即第一极值频率驱动主共振器100，来进行电力传输的情况下，主共振器100的主共振器线圈110和噪声消除共振器300的噪声消除共振器线圈310在磁壁条件下耦合。
另一方面，在以较高的一方的极值频率即第二极值频率驱动主共振器100，来进行电力传输的情况下，主共振器100的主共振器线圈110和噪声消除共振器300的噪声消除共振器线圈310在电壁条件下耦合。
以下，对在主共振器100的主共振器线圈110与噪声消除共振器300的噪声消除共振器线圈310之间的对称面产生的电壁以及磁壁的概念进行说明。
图3是示意性地表示第一极值频率(磁壁条件耦合时的频率)中的电流与电场的情况的图。在第一极值频率中，在流过主共振器线圈110的电流和流过噪声消除共振器线圈310的电流中相位大致相等，磁场矢量聚集的位置为主共振器线圈110、噪声消除共振器线圈310的中央部附近。将该状态考虑为产生磁场的方向与主共振器线圈110和噪声消除共振器线圈310之间的对称面垂直的磁壁。
如图3所示，在主共振器100和噪声消除共振器300以磁壁条件耦合时，成为来自主共振器线圈110的磁场进入噪声消除共振器线圈310的状态。
另外，图4是示意性地表示第二极值频率(电壁条件耦合时的频率)中的电流与电场的情况的图。在第二极值频率中，在流过主共振器线圈110的电流和流过噪声消除共振器线圈310的电流中相位几乎相反，磁场矢量聚集的位置为主共振器线圈110、噪声消除共振器线圈310的对称面附近。将该状态考虑为产生磁场的方向与主共振器线圈110和噪声消除共振器线圈310之间的对称面相水平的电壁。
如图4所示，在主共振器100和噪声消除共振器300在电壁条件下耦合时，成为来自主共振器线圈110的磁场与来自噪声消除共振器300的磁场在对称面相互排斥的状态。
此外，关于如以上那样的电壁、磁壁等的概念，在本说明书中适用居村岳广、堀洋一“利用电磁场共振耦合的传输技术”IEEJ Journal，Vol.129，No.7，2009、或者居村岳广、冈部浩之、内田利之、堀洋一“关于从等效电路观察到的非接触电力传输的磁场耦合和电场耦合的研究”IEEJ Trans.IA，Vol.130，No.1，2010等所记载的内容。
在这里，可知图2的由点划线表示的来自主共振器100的噪声放射的频率特性在第一极值频率(磁壁条件耦合时的频率)取极小值，在第二极值频率(电壁条件耦合时的频率)取极大值。
由于具有如上述那样的特性，所以在本发明中，根据主共振器100所产生的电磁场(噪声)的频率正好为第一极值频率fm(磁壁条件耦合时的频率)的关系，来设定噪声消除共振器300的共振频率fc。
更具体而言，噪声消除共振器300的共振频率fc设定为比主共振器100所产生的电磁场的规定频率(在本实施方式的情况下是fm)高出根据主共振器线圈110与噪声消除共振器线圈310的耦合度(K)来确定的移频fs的量的共振频率。
移频fs是根据主共振器线圈110与噪声消除共振器线圈310的耦合度(K)确定的量，即，移频fs也是根据主共振器线圈110与噪声消除共振器线圈310之间的互感Lm确定的量，上述的移频fs能够根据下式(1)求出。
[公式1]
f s = 1 2 π L m C n - - - ( 1 )
根据以上，噪声消除共振器300的共振频率fc由下式(2)求出。
[公式2]
fc＝fm+fs  (2)
通过如上述那样设定噪声消除共振器300的共振频率fc，作为噪声源的主共振器100的主共振器线圈110与噪声消除共振器线圈310在磁壁条件下耦合，由此，如在图2的噪声放射的频率特性中所示的那样，噪声消除共振器300能够高效地除去从主共振器100放射出的噪声。
根据如以上那样的本发明所涉及的噪声消除共振器300，特别是在磁共振方式的使用了磁共振天线的无线电力传输系统中的噪声对策中，噪声减少效果较大。
此外，为了本发明所涉及的噪声消除共振器300是对于噪声被动的结构，优选噪声消除共振器300的特性是噪声的反向波的水平和等倍程度。另外，优选极力减少噪声消除共振器300中的损耗，通过实验确认若噪声消除共振器300的Q值是50以上则噪声减少效果较大。
然而，由于从作为噪声源的主共振器100产生的电磁场的频率除了基本波以外，还包含有该基本波的高次谐波的噪声成分，所以存在该噪声成分也想通过噪声消除共振器300来进行除去这样的需求。
作为如上述那样的高次谐波，在放射出驱动主共振器100的频率的奇数倍的高次谐波的系统中，由于从主共振器100产生通过下式(3)求出的高次谐波，所以噪声消除共振器300的共振频率可以通过下式(4)来确定。
[公式3]
f2n-1＝(2n-1)fm  (3)
(其中，n是自然数)
[公式4]
fc＝(2n-1)fm+fs  (4)
另外，作为高次谐波，在放射出驱动主共振器100的频率的偶数倍的高次谐波的系统中，由于从主共振器100产生通过下式(5)求出的高次谐波，所以噪声消除共振器300的共振频率可以通过下式(6)来确定。
[公式5]
f2n＝2nfm  (5)
(其中，n是自然数)
[公式6]
fc＝2nfm+fs  (6)
如以上说明的那样，在本发明所涉及的噪声消除共振器300的噪声消除共振器线圈310中，通过与主共振器100器的主共振器线圈110在磁壁条件下耦合，来实现噪声减少效果，对该原理简要地进行说明。
图5是对通过本发明的实施方式的噪声消除共振器提高噪声减少效率进行说明的概念图。
图5(A)示出主共振器100器的主共振器线圈110与噪声消除共振器300的噪声消除共振器线圈310在磁壁条件下耦合的情况，在该情况下，成为来自主共振器线圈110的磁场进入噪声消除共振器线圈310的状态，但在此基础上，在点X产生的磁场也进入噪声消除共振器线圈310。因此，如被虚线围起的那样，来自主共振器线圈110的磁场与进入噪声消除共振器线圈310的磁场相抵消，产生噪声的消除效果。
另一方面，图5(B)示出主共振器100器的主共振器线圈110与噪声消除共振器300的噪声消除共振器线圈310在电壁条件下耦合的情况，在该情况下，成为来自主共振器线圈110的磁场与来自噪声消除共振器300的磁场在它们之间相互排斥的状态，但在此基础上，产生进入点X的磁场。因此，如被虚线围起的那样，来自主共振器线圈110的磁场与来自噪声消除共振器线圈310的磁场以相互加强的方式动作，导致放大噪声。
接下来，对如以上那样的本发明所涉及的噪声消除共振器300的应用例进行说明。图6是示意性地表示将使用了主共振器100和副共振器200的电力传输系统搭载于车辆的例子的图。
在以下的说明中，以主共振器100以及副共振器200分别是磁共振方式的送电天线以及受电天线，从作为送电天线的主共振器100对作为受电天线的副共振器200通过无线进行电力传输的电力传输系统的情况为例。
优选这样的电力传输系统用于例如用于对电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)等车辆搭载电池的充电的系统。因此，在车辆的底面部，配置能够进行受电的受电天线而成。
另一方面，由于通过非接触对上述那样的车辆传输电力，所以为设置于能够使该车辆停车的停车空间，在作为车辆充电用的空间的该停车空间，在地下部分埋设电力传输系统的送电天线等的结构。车辆的用户使车辆停止在设置有本实施方式所涉及的电力传输系统的停车空间，从送电天线对搭载于车辆的受电天线，经由电磁场传输电能。
在如上述那样的电力传输系统中，存在电力传输中从天线泄漏的电磁场从车辆的底面与地面之间泄漏的可能性，在对环境、人体的影响上不优选，成为了课题，但通过将本发明所涉及的噪声消除共振器300配置在作为送电天线的主共振器100的附近，能够减少如上述那样的泄漏，能够抑制由电磁场的泄漏引起的对环境、人体的影响。
以上，本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，具有比作为噪声源且具有主共振器线圈的主共振器所产生的电磁场的规定频率高出根据上述主共振器线圈和上述噪声消除共振器线圈的耦合度确定的移频的量的共振频率，根据这样的本发明所涉及的噪声消除共振器，特别是在磁共振方式的使用了磁共振天线的无线电力传输系统中的噪声对策中，噪声减少效果较大。
优选本发明的电力传输系统用于对近年来迅速普及的电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)等车辆的充电的磁共振方式的无线电力传输系统。在这样的磁共振方式的无线电力传输系统中，存在作为噪声对策，即使使噪声消除共振器的共振频率与噪声源的频率一致，噪声减少效果也未必较大的问题。
本发明所涉及的噪声消除共振器的特征在于，具有比作为噪声源且具有主共振器线圈的主共振器所产生的电磁场的规定频率高出根据上述主共振器线圈和上述噪声消除共振器线圈的耦合度确定的移频的量的共振频率，根据这样的本发明所涉及的噪声消除共振器，特别是在磁共振方式的使用了磁共振天线的无线电力传输系统中的噪声对策中，噪声减少效果较大，工业上的利用性非常大。
符号说明
100…主共振器；110…主共振器线圈；120…主共振器电容器；200…副共振器；300…噪声消除共振器；310…噪声消除共振器线圈；320…噪声消除共振器电容器。

Claims (8)

1.一种噪声消除共振器，其特征在于，
由具有电感成分Ln的噪声消除共振器线圈、以及具有电容成分Cn的噪声消除共振器电容器构成，
具有比作为噪声源且具有主共振器线圈的主共振器所产生的电磁场的规定频率高出根据所述主共振器线圈和所述噪声消除共振器线圈的耦合度确定的移频的量的共振频率。
2.根据权利要求1所述的噪声消除共振器，其特征在于，
所述规定频率是所述主共振器产生的电磁场的基本波的频率。
3.根据权利要求1所述的噪声消除共振器，其特征在于，
所述规定频率是所述主共振器产生的电磁场的高次谐波的频率。
4.根据权利要求3所述的噪声消除共振器，其特征在于，
所述高次谐波是奇次谐波。
5.根据权利要求3所述的噪声消除共振器，其特征在于，
所述高次谐波是偶次谐波。
6.根据权利要求1～6中的任意一项所述的噪声消除共振器，其特征在于，
在所述主共振器线圈与所述噪声消除共振器线圈之间的互感成分是Lm时，
所述移频是：
[公式1]
f s = 1 2 π L m C n .
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的噪声消除共振器，其特征在于，
所述主共振器是电力传输用的天线。
8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的噪声消除共振器，其特征在于，
Q值是50以上。
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