JP2010267917A - コイルユニット、非接触電力伝送装置、非接触給電システムおよび電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】共鳴法による電力の伝送において、伝送効率を向上させる。
【解決手段】共鳴法により電力の送電および受電の少なく一方を行うためのコイルユニット４００において、自己共振コイル４２０のコイル材の断面におけるコイル材表面の長さが、電磁誘導コイル４１０のコイル材の断面におけるコイル材表面の長さよりも長いコイルとする。
【選択図】図６

Description

本発明は、コイルユニット、非接触電力伝送装置、非接触給電システムおよび電動車両に関し、より特定的には、電力の伝送効率を向上するための自己共振コイルの形状に関する。

環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド車などの電動車両が大きく注目されている。これらの車両は、走行駆動力を発生する電動機と、その電動機に供給される電力を蓄える再充電可能な蓄電装置とを搭載する。なお、ハイブリッド車には、電動機とともに内燃機関をさらに動力源として搭載した車両や、車両駆動用の直流電源として蓄電装置とともに燃料電池をさらに搭載した車両等が含まれる。

ハイブリッド車においても、電気自動車と同様に、車両外部の電源から車載の蓄電装置を充電可能な車両が知られている。たとえば、家屋に設けられた電源コンセントと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することにより、一般家庭の電源から蓄電装置を充電可能ないわゆる「プラグイン・ハイブリッド車」が知られている。

一方、送電方法として、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス送電が近年注目されている。このワイヤレス送電技術としては、有力なものとして、電磁誘導を用いた送電、電磁波を用いた送電、および共鳴法による送電の３つの技術が知られている。

このうち、共鳴法は、一対の共鳴器（たとえば一対の自己共振コイル）を電磁場（近接場）において共鳴させ、電磁場を介して送電する非接触の送電技術であり、数ｋＷの大電力を比較的長距離（たとえば数ｍ）送電することも可能である（特許文献１）。

国際公開第２００７／００８６４６号パンフレット

上記共鳴法が採用された非接触送電装置および受電装置は、電磁場を介して電力を伝送する自己共振コイルを備えている。この自己共振コイルはコイル材を巻回して作られるが、このコイル材の断面形状は円形形状とされる場合がある。また、自己共振コイルは、自己共振コイルに電力を入力または出力するための電磁誘導コイルと共通の部材により製作される場合があり、その場合は、コイル材の断面形状が同じとなる。

共鳴法により電力を伝送する場合、自己共振コイルには高周波の電流が流れる。ここで、高周波の電流がコイル内を流れる際、電流密度はコイルの表面で高く、表面から離れると低くなること（いわゆる表皮効果）が知られている。そのため、コイル内を流れる電流が高周波の場合、直流や低周波の場合と比較して、実質的なコイルの電気抵抗が大きくなってしまうことになる。

特に、共鳴法による送電および受電の際には、自己共振コイルには、電磁誘導コイルにより給電された電力が自己共振コイルのインダクタンスおよび容量成分に蓄えられて共振するため、電磁誘導コイルよりも大きな電流が流れる。そのため、コイルの電気抵抗が大きいと、抵抗による発熱のためにエネルギー損失が大きくなり、伝送効率の低下を招いてしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、共鳴法による電力の伝送において、伝送効率を向上させることである。

本発明によるコイルユニットは、対向配置される第１の自己共振コイルとの電磁共鳴によって、電力の送電および受電の少なくともいずれか一方を行なうためのコイルユニットであって、第２の自己共振コイルと、電磁誘導コイルとを備える。第２の自己共振コイルは、第１の自己共振コイルと電磁共鳴を行なう。電磁誘導コイルは、電磁誘導により、第２の自己共振コイルとの間で送電および受電の少なくともいずれか一方が可能に構成される。そして、第２の自己共振コイルは、単位長さあたりの電気抵抗が電磁誘導コイルよりも小さいコイルである。

このコイルユニットによれば、単位長さあたりの電気抵抗が電磁誘導コイルよりも小さくなるので、電磁誘導コイルと同一断面形状の部材とした場合（すなわち、単位長さあたりの電気抵抗が同じ場合）と比較して、共振の際に自己共振コイル内を流れる電流による発熱を低減することができる。その結果、電力の伝送の際のエネルギー損失が低減できるので、伝送効率を向上させることができる。

好ましくは、第２の自己共振コイルおよび電磁誘導コイルは、コイル材が巻回された形状を有する。そして、第２の自己共振コイルは、第２の自己共振コイルのコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さが、電磁誘導コイルのコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さよりも長いコイルである。

このような構成とすることで、自己共振コイルの表面積を増加することができる。共鳴法においては、コイル内を流れる電流は高周波となるので、表皮効果のためにコイル表面付近にのみ電流が流れる。そのため、コイルの表面積を増加することで、多くの電流を流す（すなわち実質的な電気抵抗を小さくする）ことができる。その結果、電力の伝送の際のエネルギー損失を低減できるので、伝送効率を向上させることができる。

また好ましくは、第２の自己共振コイルは、第２の自己共振コイルのコイル材の断面形状の第１の方向の長さが、断面形状における第１の方向に対して垂直な第２の方向の長さよりも長いコイルである。

このような構成とすることで、コイルの断面形状を扁平化することができる。その結果、コイル表面からコイル中心部までの距離を短くできるので、コイルで発生する熱の放熱が容易となり、コイルの冷却性能を向上することができる。

あるいは好ましくは、第２の自己共振コイルのコイル材は、複数の線状導体により構成される。

このような構成とすることで、自己共振コイルの表面積を増加することができるので、電力の伝送の際の伝送効率を向上させることができる。

本発明による非接触電力伝送装置は、上記のコイルユニットを含み、電磁共鳴によって電力の送電および受電の少なくともいずれか一方を行なう。

本発明による非接触給電システムは、送電装置および受電装置の少なくともいずれか一方に、上記の非接触電力伝送装置を含み、電磁共鳴によって電源からの電力を送電装置から受電装置へ伝送する。

本発明による電動車両は、自己共振コイルと、電磁誘導コイルと、整流器と、電気駆動装置とを備える。自己共振コイルは、車両外部に設けられた送電装置との電磁共鳴により非接触で電力を受電する。電磁誘導コイルは、電磁誘導により自己共振コイルから電力の出力が可能に構成される。整流器は、電磁誘導コイルから電力を受けて整流するように構成される。電気駆動装置は、整流器によって整流された電力を受けて車両駆動力を発生するように構成される。そして、自己共振コイルは、単位長さあたりの電気抵抗が電磁誘導コイルよりも小さいコイルである。

好ましくは、自己共振コイルおよび電磁誘導コイルは、コイル材が巻回された形状を有する。そして、自己共振コイルは、自己共振コイルのコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さが、電磁誘導コイルのコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さよりも長いコイルである。

また好ましくは、自己共振コイルは、自己共振コイルのコイル材の断面形状の第１の方向の長さが、断面形状における第１の方向に対して垂直な第２の方向の長さよりも長いコイルである。

あるいは好ましくは、自己共振コイルのコイル材は、複数の線状導体により構成される。

この発明によれば、共鳴法による電力の伝送において、伝送効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態に従う非接触給電システムの全体構成図である。 共鳴法による送電の原理を説明するための図である。 電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。 表皮効果による表皮深さを説明するための図である。 検討例（本実施の形態に該当しない場合）の自己共振コイル形状の例である。 本実施の形態によるコイルユニットの概要を示す図である。 自己共振コイルのコイル材の断面形状を示す断面図の一例を示す図である。 自己共振コイルのコイル材の断面形状の第１の変形例を示す断面図である。 自己共振コイルのコイル材の断面形状の第２の変形例を示す断面図である。 自己共振コイルのコイル材の断面形状の第３の変形例を示す断面図である。 自己共振コイルのコイル材の断面形状の第４の変形例を示す断面図である。 自己共振コイルのコイル材の断面形状の第５の変形例を示す断面図である。 自己共振コイルのコイル材の断面形状の第６の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に従う非接触給電システムの全体構成図である。図１を参照して、非接触給電システムは、電動車両１００と、給電装置２００とを備える。電動車両１００は、二次自己共振コイル１１０と、二次電磁誘導コイル１２０と、整流器１３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０と、蓄電装置１５０とを含む。また、電動車両１００は、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ（Power Control Unit）」とも称する。）１６０と、モータ１７０と、車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８０とをさらに含む。

なお、電動車両１００の構成は、モータにより駆動される車両であれば、図１に示される構成に限らない。たとえば、モータと内燃機関とを備えるハイブリッド車両や、燃料電池を備える燃料電池自動車などを含む。

二次自己共振コイル１１０は、たとえば車体下部に配設される。二次自己共振コイル１１０は、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、給電装置２００の一次自己共振コイル２４０（後述）と電磁場を介して共鳴することにより給電装置２００から電力を受電する。なお、二次自己共振コイル１１０の容量成分は、コイルの浮遊容量であるが、所定の浮遊容量を得るために別途コンデンサ（図示せず）をコイルの両端に接続してもよい。

二次自己共振コイル１１０は、給電装置２００の一次自己共振コイル２４０との距離や、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の共鳴周波数等に基づいて、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との共鳴強度を示すＱ値（たと
えば、Ｑ＞１００）およびその結合度を示すκ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

二次電磁誘導コイル１２０は、二次自己共振コイル１１０と同軸上に配設され、電磁誘導により二次自己共振コイル１１０と磁気的に結合可能である。この二次電磁誘導コイル１２０は、二次自己共振コイル１１０により受電された電力を電磁誘導により取出して整流器１３０へ出力する。

整流器１３０は、二次電磁誘導コイル１２０によって取出された交流電力を整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、車両ＥＣＵ１８０からの制御信号に基づいて、整流器１３０によって整流された電力を蓄電装置１５０の電圧レベルに変換して蓄電装置１５０へ出力する。なお、車両の走行中に給電装置２００から受電する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、整流器１３０によって整流された電力をシステム電圧に変換してＰＣＵ１６０へ直接供給してもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、必ずしも必要ではなく、二次電磁誘導コイル１２０によって取出された交流電力が整流器１３０によって整流された後に直接蓄電装置１５０に与えられるようにしてもよい。

蓄電装置１５０は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池から成る。蓄電装置１５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０から供給される電力を蓄えるほか、モータ１７０によって発電される回生電力も蓄える。そして、蓄電装置１５０は、その蓄えた電力をＰＣＵ１６０へ供給する。なお、蓄電装置１５０として大容量のキャパシタも採用可能であり、給電装置２００から供給される電力やモータ１７０からの回生電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力をＰＣＵ１６０へ供給可能な電力バッファであれば如何なるものでもよい。

ＰＣＵ１６０は、蓄電装置１５０から出力される電力、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１４０から直接供給される電力によってモータ１７０を駆動する。また、ＰＣＵ１６０は、モータ１７０により発電された回生電力を整流して蓄電装置１５０へ出力し、蓄電装置１５０を充電する。モータ１７０は、ＰＣＵ１６０によって駆動され、車両駆動力を発生して駆動輪へ出力する。また、モータ１７０は、駆動輪や、ハイブリッド車両の場合には図示されないエンジンから受ける運動エネルギーによって発電し、その発電した回生電力をＰＣＵ１６０へ出力する。

車両ＥＣＵ１８０は、給電装置２００から電動車両１００への給電時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を制御する。車両ＥＣＵ１８０は、たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を制御することによって、整流器１３０とＤＣ／ＤＣコンバータ１４０との間の電圧を所定の目標電圧に制御する。また、車両ＥＣＵ１８０は、車両の走行時、車両の走行状況や蓄電装置１５０の充電状態（「ＳＯＣ（State Of Charge）」とも称される。）に基づいてＰＣＵ１６０を制御する。

一方、給電装置２００は、交流電源２１０と、高周波電力ドライバ２２０と、一次電磁誘導コイル２３０と、一次自己共振コイル２４０とを含む。

交流電源２１０は、車両外部の電源であり、たとえば系統電源である。高周波電力ドライバ２２０は、交流電源２１０から受ける電力を高周波の電力に変換し、その変換した高周波電力を一次電磁誘導コイル２３０へ供給する。なお、高周波電力ドライバ２２０が生成する高周波電力の周波数は、たとえば１Ｍ〜数十ＭＨｚである。

一次電磁誘導コイル２３０は、一次自己共振コイル２４０と同軸上に配設され、電磁誘導により一次自己共振コイル２４０と磁気的に結合可能である。そして、一次電磁誘導コイル２３０は、高周波電力ドライバ２２０から供給される高周波電力を電磁誘導により一次自己共振コイル２４０へ給電する。

一次自己共振コイル２４０は、たとえば地面近傍に配設される。一次自己共振コイル２４０も、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、電動車両１００の二次自己共振コイル１１０と電磁場を介して共鳴することにより電動車両１００へ電力を送電する。なお、一次自己共振コイル２４０の容量成分も、コイルの浮遊容量であるが、二次自己共振コイル１１０と同様に別途コンデンサ（図示せず）をコイルの両端に接続してもよい。

この一次自己共振コイル２４０も、電動車両１００の二次自己共振コイル１１０との距離や、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の共鳴周波数等に基づいて、Ｑ値（たとえば、Ｑ＞１００）および結合度κ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

図２は、共鳴法による送電の原理を説明するための図である。図２を参照して、この共鳴法では、２つの音叉が共鳴するのと同様に、同じ固有振動数を有する２つのＬＣ共振コイルが電磁場（近接場）において共鳴することによって、一方のコイルから他方のコイルへ電磁場を介して電力が伝送される。

具体的には、高周波電源３１０に一次電磁誘導コイル３２０を接続し、電磁誘導により一次電磁誘導コイル３２０と磁気的に結合される一次自己共振コイル３３０へ、１Ｍ〜数十ＭＨｚの高周波電力を給電する。一次自己共振コイル３３０は、コイル自身のインダクタンスと浮遊容量（コイルにコンデンサが接続される場合には、コンデンサの容量を含む）とによるＬＣ共振器であり、一次自己共振コイル３３０と同じ共振周波数を有する二次自己共振コイル３４０と電磁場（近接場）を介して共鳴する。そうすると、一次自己共振コイル３３０から二次自己共振コイル３４０へ電磁場を介してエネルギー（電力）が移動する。二次自己共振コイル３４０へ移動したエネルギー（電力）は、電磁誘導により二次自己共振コイル３４０と磁気的に結合される二次電磁誘導コイル３５０によって取出され、負荷３６０へ供給される。なお、共鳴法による送電は、一次自己共振コイル３３０と二次自己共振コイル３４０との共鳴強度を示すＱ値がたとえば１００よりも大きいときに実現される。

なお、図１との対応関係について説明すると、図１の交流電源２１０および高周波電力ドライバ２２０は、図２の高周波電源３１０に相当する。また、図１の一次電磁誘導コイル２３０および一次自己共振コイル２４０は、それぞれ図２の一次電磁誘導コイル３２０および一次自己共振コイル３３０に相当し、図１の二次自己共振コイル１１０および二次電磁誘導コイル１２０は、それぞれ図２の二次自己共振コイル３４０および二次電磁誘導コイル３５０に相当する。そして、図１の整流器１３０以降が負荷３６０として総括的に示されている。

図３は、電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。図３を参照して、電磁界は３つの成分から成る。曲線ｋ１は、波源からの距離に反比例した成分であり、「輻射電磁界」と称される。曲線ｋ２は、波源からの距離の２乗に反比例した成分であり、「誘導電磁界」と称される。また、曲線ｋ３は、波源からの距離の３乗に反比例した成分であり、「静電磁界」と称される。

「静電磁界」は、波源からの距離とともに急激に電磁波の強度が減少する領域であり、共鳴法では、この「静電磁界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用してエネルギー（電力）の伝送が行なわれる。すなわち、「静電磁界」が支配的な近接場において、同じ固有振動数を有する一対の共鳴器（たとえば一対のＬＣ共振コイル）を共鳴させることにより、一方の共鳴器（一次自己共振コイル）から他方の共鳴器（二次自己共振コイル）へエネルギー（電力）を伝送する。この「静電磁界」は遠方にエネルギーを伝播しないので、遠方までエネルギーを伝播する「輻射電磁界」によってエネルギー（電力）を伝送する電磁波に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギー損失で送電することができる。

共鳴法による電力の伝送においては、まず高周波電力ドライバ２２０から受ける電力が、一次電磁誘導コイル２３０から一次自己共振コイル２４０に電磁誘導によって伝送される。そして、一次自己共振コイル２４０は、コイル自身のインダクタンスおよび浮遊容量（コイルにコンデンサが接続される場合には、コンデンサの容量を含む）に、伝送された電力を蓄えるとともに、自己共振を行なうことで電磁場を発生する。

一方、受電側では、一次自己共振コイル２４０が自己共振することにより発生した電磁場によって二次自己共振コイル１１０が共鳴し、二次自己共振コイル１１０も一次自己共振コイル２４０と同じ共振周波数で自己共振する。そして、二次電磁誘導コイル１２０は、二次自己共振コイル１１０が一次自己共振コイル２４０から受電した電力を、電磁誘導によって取出し、整流器１３０以降の負荷に電力を伝達する。なお、二次電磁誘導コイル１２０では、二次自己共振コイル１１０が有する共振エネルギー（電力）のうちの一部が取出される。

このとき、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０（以下、総括して「自己共振コイル」とも称する。）において、自己共振により、エネルギー（電力）がインダクタンスと浮遊容量との間で交互に移動する際に、自己共振コイルに電流が流れる。そのため、コイル自身の電気抵抗による発熱によって、エネルギー損失が発生する。

一次自己共振コイル２４０においては、上記のようにコイル自身のインダクタンスおよび浮遊容量に一次電磁誘導コイル２３０から伝送された電力（エネルギー）を蓄えるので、一次電磁誘導コイル２３０の電力よりも大きな電力を有している。そのため、たとえば一次電磁誘導コイル２３０および一次自己共振コイル２４０のコイル断面の寸法形状が同じ（単位長さあたりの電気抵抗が同じ）であれば、一次自己共振コイル２４０内を流れる電流は、一次電磁誘導コイル２３０内を流れる電流に比べて相対的に大きくなり、発熱によるエネルギー損失も大きくなる。なお、これは受電側における二次自己共振コイル１１０と二次電磁誘導コイル１２０についても同様である。すなわち、上述のように二次電磁誘導コイル１２０では、二次自己共振コイル１１０の有する電力の一部のみが取出されるため、二次自己共振コイル１１０の電力ほうが二次電磁誘導コイル１２０の電力よりも大きくなる。

したがって、共鳴法による電力伝送において送電効率を向上させるためには、自己共振コイルが共振する際のコイル自身の抵抗成分によるエネルギー損失を低減することが重要となる。

なお、一次電磁誘導コイル２３０および二次電磁誘導コイル１２０（以下、総括して「電磁誘導コイル」とも称する。）については、給電側であれば外部電源に接続され、受電側（車両側）であれば負荷に接続される。そのため、電磁誘導コイルの両端は、電磁誘導コイルおよび自己共振コイルを収納するコイルケース（図示しない）から引き出されて、外部電源または負荷まで延長される。したがって、コイルケース外部でのコイル両端の取り回しが必要となるために、電磁誘導コイルの断面形状は複雑な形状とすることが困難である。すなわち、電磁誘導コイルの断面形状は、比較的シンプルな形状（たとえば円形や方形）とすることが必要である。このようにすることで、コイル材の製作および取り扱いが容易となる。

そこで、本実施の形態では、自己共振コイルである一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の単位長さあたりの電気抵抗を、電磁誘導コイルである一次電磁誘導コイル２３０および二次電磁誘導コイル１２０の単位長さあたりの電気抵抗に比べて小さくなるようにすることによって、電力伝送時のエネルギー損失を低減して送電効率の向上を図る。

一般的に、導体に高周波電流が流れる場合には、導体の表面付近のみに密集して電流が流れ、導体中心部にはほとんど電流が流れない現象、いわゆる表皮効果が発生することが知られている。これは、導体に電流を流すとその直角方向に磁界が生じるが、この磁界の密度は導体の中心部ほど強く、その磁界による逆起電力によって電流の流れが阻止されてしまうためである。

図４は、表皮効果による表皮深さを説明するための図である。表皮深さとは、導体内部を流れる電流が、導体の表面電流の１／ｅ（約０．３７）となる深さであり、表皮深さｄは一般的に式（１）で表わされる。

ｄ＝（２ρ／ω・μ）^1/2 ・・・ （１）
ρ：導体の抵抗率
ω：電流の角周波数（＝２π×周波数ｆ）
μ：導体の透磁率
図４の横軸は電流の周波数ｆを示し、縦軸は表皮深さｄを示している。図４に示されるように、電流の周波数ｆが高くなるにしたがって、表皮深さｄは指数的に減少する。すなわち、高周波の領域においては、実質的な導体の電気抵抗が増加することを意味している。

そのため、高周波で共振を行なう自己共振コイルにおいて、コイルの電気抵抗を低減するためには、直流や低周波の場合のように、単にコイル材のコイル径を大きくしてコイル材の断面積を増加させることが必ずしも効果的ではなく、コイルの表面積を増加させることが有効となる。

ただし、コイルの表面積を増加させる場合に、たとえば図５に示すように、コイルにおける電流の流れ方向（コイル材の長手方向）に蛇腹状の突起を有するような形状とした場合には、コイルの表面積は増加するものの、電流の流れ方向に対してはコイル表面に沿った距離が増加してしまう。したがって、このような形状の場合には、かえって電気抵抗が増加する可能性がある。

そのため、本実施の形態においては、自己共振コイルを形成しているコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さが、電磁誘導コイルを形成しているコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さよりも長くなるような断面形状とする。このようにすることにより、コイル表面に沿った電流が流れる方向の距離を増加させることなく、コイルの表面積を増加させることができる。その結果、電流が高周波である場合に、電磁誘導コイルの単位長さあたりの電気抵抗よりも、自己共振コイルの単位長さあたりの実質的な電気抵抗を小さくすることができる。

図６には、本実施の形態におけるコイルユニット４００の概要図が示される。図６を参照して、コイルユニット４００は、電磁誘導コイル４１０と、自己共振コイル４２０と、ボビン４３０と、コンデンサ４４０とを含む。

電磁誘導コイル４１０は、図１における、一次電磁誘導コイル２３０および二次電磁誘導コイル１２０に対応する。電磁誘導コイル４１０は、コイル材がボビン４３０周囲に巻回される。そして、自己共振コイル４２０と同軸上に配置される。電磁誘導コイル４１０の両端は、コイルユニット４００を収納するコイルケース（図示しない）の外部に引き出されて外部電源もしくは負荷に接続される。そして、電磁誘導コイル４１０は、電磁誘導により、自己共振コイル４２０と電力の送電または受電を行なう。

なお、電磁誘導コイル４１０は、コイルケース外部に引き出されるため、上述のように、コイル材の断面がたとえば中実円形のような形状とされる。

自己共振コイル４２０は、図１における、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０に対応する。自己共振コイル４２０は、円筒状で絶縁性のボビン４３０周囲にコイル材が巻回されるように装着される。そして、自己共振コイル４２０のコイル両端は、ボビン４３０の内部に配設されたコンデンサ４４０に接続されることにより、ＬＣ共振回路を構成する。なお、コンデンサ４４０は必ずしも必要ではなく、自己共振コイル４２０の浮遊容量により所望の容量成分が実現される場合には、自己共振コイル４２０の両端は非接続（オープン）とされる。

そして、自己共振コイル４２０は、対向する他の自己共振コイルと電磁共鳴することにより送電または受電を行なう。また、電磁誘導コイル４１０と電磁誘導により受電または送電が行なわれる。

自己共振コイル４２０のコイル材の断面は、電磁誘導コイル４１０よりも表面積が大きくなるように、コイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さが、電磁誘導コイルのコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さよりも長くされる。

以下、図７〜１３において、自己共振コイル４２０のコイル材の断面形状の例を示す。
図７には、自己共振コイル４２０のコイル材の断面形状の例が示される。図７に示されるように、自己共振コイル４２０のコイル材の断面形状は、略Ｏ字形状すなわちコイルが中空のパイプのような形状となっている。

このとき、導体（コイル材）の肉厚を表皮深さより十分大きくすることで、同じ外径の中実の導体に比べて内表面部分の表面積を増加することができる。さらに、コイルの断面積が小さくなるため、導体（たとえば銅）の使用量を削減することができるので、コストや重量を削減することもできる。

また、図８には、自己共振コイル４２０のコイル材の断面形状の第１の変形例を示す断面図が示される。第１の変形例では、図８に示されるように、コイル材の断面形状が略Ｕ字形状となっている。このような形状とすることで、図７の断面形状の場合と同様に、コイルの表面積を増加させるとともに、導体の使用量を削減することができる。また、この場合、内表面部分が開放されているので、図７の断面形状に比べ内表面で発生する熱の放熱が容易となり、コイルの冷却性能を向上することも可能となる。

図９には、自己共振コイル４２０のコイル材の断面形状の第２の変形例を示す断面図が示される。第２の変形例では、図９に示されるように、自己共振コイル４２０の断面形状が長方形の平板状となるようにする。また、この長方形の平板状の断面形状部材を、略Ｖ字形状や略Ｍ字形状のように、屈曲または湾曲させてもよい。

図１０には、自己共振コイル４２０のコイル材の断面形状の第３の変形例を示す断面図が示される。第３の変形例では、図１０に示されるように、自己共振コイル４２０が複数の小径の導体により構成されている。これにより、コイルの表面積を増加させることができる。さらに、各導体間にたとえばシリコン樹脂等の誘導体を充填させることによって浮遊容量を増加させることができる。そして、所定の浮遊容量を得るために、別途コンデンサを配置することが不要となる。もしくは、別途コンデンサを設ける場合であっても、コンデンサの小容量化を行なうことができる。

図１１には、自己共振コイル４２０のコイル材の断面形状の第４の変形例を示す断面図が示される。図１１に示されるように、コイルの外周面に複数の凹部または凸部が形成されるようにしてもよい。

図１２には、自己共振コイル４２０のコイル材の断面形状の第５の変形例を示す断面図が示される。第５の変形例では、コイル材の断面形状のある一方向の長さ（たとえば図１２中のＢ）が、当該方向に垂直な方向の長さ（たとえば図１２中のＡ）よりも長くなっているような断面形状となっている。すなわち、図１２に示されるような、たとえば楕円形のような扁平な断面形状である。このような断面形状を扁平化することにより、コイル導体表面からコイル導体中心部までの距離が短くなるので、コイル導体内部の熱が放熱されやすくコイルの冷却性能を向上させることができる。なお、このような断面形状は楕円形に限られない。また、この扁平な断面形状部材を屈曲または湾曲させてもよい。

図１３には、自己共振コイル４２０のコイル材の断面形状の第６の変形例を示す断面図が示される。図１３に示されるように、自己共振コイル４２０の断面形状が渦巻状となるようにしてもよい。

以上のように、共鳴法による電力の送電において、自己共振コイル（一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０）を形成するコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さが、電磁誘導コイル（一次電磁誘導コイル２３０および二次電磁誘導コイル１２０）を形成するコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さよりも長くなるような断面形状とすることにより、電流が高周波の領域において、自己共振コイルの単位長さの実質的な電気抵抗を、電磁誘導コイルの単位長さの電気抵抗より小さくすることができる。その結果、自己共振コイルにおけるエネルギー損失を低減することができるので、電力伝送時の伝送効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態におけるＰＣＵ１６０およびモータ１７０は、本発明における「電気駆動装置」の一例である。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 電動車両、１１０，３４０ 二次自己共振コイル、１２０，３５０ 二次電磁誘導コイル、１３０ 整流器、１４０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５０ 蓄電装置、１６０ ＰＣＵ、１７０ モータ、１８０ 車両ＥＣＵ、２００ 給電装置、２１０ 交流電源、２２０ 高周波電力ドライバ、２３０，３２０ 一次電磁誘導コイル、２４０，３３０ 一次自己共振コイル、３１０ 高周波電源、３６０ 負荷、４００ コイルユニット、４１０ 電磁誘導コイル、４２０ 自己共振コイル、４３０ ボビン、４４０ コンデンサ。

Claims (10)

1. 対向配置される第１の自己共振コイルとの電磁共鳴によって、電力の送電および受電の少なくともいずれか一方を行うためのコイルユニットであって、
   前記第１の自己共振コイルと電磁共鳴を行うための第２の自己共振コイルと、
   電磁誘導により、前記第２の自己共振コイルとの間で送電および受電の少なくともいずれか一方が可能に構成された電磁誘導コイルとを備え、
   前記第２の自己共振コイルは、単位長さあたりの電気抵抗が前記電磁誘導コイルよりも小さいコイルである、コイルユニット。
2. 前記第２の自己共振コイルおよび前記電磁誘導コイルは、コイル材が巻回された形状を有し、
   前記第２の自己共振コイルは、前記第２の自己共振コイルのコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さが、前記電磁誘導コイルのコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さよりも長いコイルである、請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記第２の自己共振コイルは、前記第２の自己共振コイルのコイル材の断面形状の第１の方向の長さが、前記断面形状における前記第１の方向に対して垂直な第２の方向の長さよりも長いコイルである、請求項２に記載のコイルユニット。
4. 前記第２の自己共振コイルのコイル材は、複数の線状導体により構成される、請求項２に記載のコイルユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイルユニットを含み、電磁共鳴によって電力の送電および受電の少なくともいずれか一方を行う、非接触電力伝送装置。
6. 電磁共鳴によって電源からの電力を送電装置から受電装置へ伝送する非接触給電システムであって、
   前記送電装置および前記受電装置の少なくともいずれか一方に、請求項５に記載の非接触電力伝送装置を含む、非接触給電システム。
7. 電動車両であって、
   前記車両外部に設けられた送電装置との電磁共鳴により非接触で電力を受電する自己共振コイルと、
   電磁誘導により前記自己共振コイルから電力の出力が可能に構成された電磁誘導コイルと、
   前記電磁誘導コイルから電力を受けて整流するように構成された整流器と、
   前記整流器によって整流された電力を受けて車両駆動力を発生するように構成された電気駆動装置とを備え、
   前記自己共振コイルは、単位長さあたりの電気抵抗が前記電磁誘導コイルよりも小さいコイルである、電動車両。
8. 前記自己共振コイルおよび前記電磁誘導コイルは、コイル材が巻回された形状を有し、
   前記自己共振コイルは、前記自己共振コイルのコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さが、前記電磁誘導コイルのコイル材の断面におけるコイル材表面部分の長さよりも長いコイルである、請求項７に記載の電動車両。
9. 前記自己共振コイルは、前記自己共振コイルのコイル材の断面形状の第１の方向の長さが、前記断面形状における前記第１の方向に対して垂直な第２の方向の長さよりも長いコイルである、請求項８に記載の電動車両。
10. 前記自己共振コイルのコイル材は、複数の線状導体により構成される、請求項８に記載の電動車両。

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