JP2011072176A - Non-contact power transmitter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エバネセント界の空間的な結合を用いた無接触電力伝送装置に関する。 The present invention relates to a contactless power transmission device using spatial coupling of evanescent fields.
従来より、無接触(無線)で電力を伝送する無接触電力伝送装置の研究開発が盛んに行われている。無接触電力伝送装置は、機械的な接触を必要としないため、耐久性が高く、騒音が少ないなどの利点がある。このような無接触電力伝送装置には、遠方まで伝播する電磁波を用いて行うものと、伝播せず近傍にしか存在しない電磁場(エバネセント界)の空間的な結合を用いて行うものと、がある。電磁波を用いて行うものは、特別な制御をしない限り、電力の受信側が存在しなくても、電力の送信側のエネルギーが周囲に放射される。エバネセント界の空間的な結合を用いて行うものは、受信側が存在すればそれとの結合に応じて、送信側が有する電力(エネルギー)がそれに伝送される。 Conventionally, research and development of contactless power transmission devices that transmit power in a contactless (wireless) manner has been actively conducted. Since the contactless power transmission device does not require mechanical contact, it has advantages such as high durability and low noise. Such contactless power transmission devices include those that use electromagnetic waves that propagate far away, and those that use spatial coupling of electromagnetic fields (evanescent fields) that do not propagate and exist only in the vicinity. . In the case of using electromagnetic waves, the energy on the power transmission side is radiated to the surroundings even if there is no power reception side unless special control is performed. As for what is performed using spatial coupling of the evanescent field, if there is a reception side, power (energy) of the transmission side is transmitted to the reception side according to the coupling with the reception side.
特許文献1には、エバネセント界の空間的な結合による電磁誘導を利用した無接触電力伝送装置が記載されている。このものは、パンタグラフなどに応用しようとするものであって、交流電源から末端に向けて送電する送電線路(ケーブル)が有り、先端に1次コイルが設けられスイッチによりそれへの通電のオンオフ制御が可能な多数の送信側ユニットが送電線路の所要箇所に接続されている。この1次コイルと電磁誘導により結合をする2次コイルを有して移動する受信側の受電体(移動体)を、1次コイルと2次コイルが近接配置となるようにすることにより、送電線路に沿って移動しながらでも、送電線路から受電体に電力が伝送されるとしている。また、特許文献2には、エバネセント界の空間的な結合による共振を利用し、送信側と受信側にともに設けられたループ状の導体などの共振器に共振を起こさせて電力を伝送する無接触電力伝送装置が記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載のものは、送電線路の所要箇所に設けた送信側ユニットが複雑であり、また、多数のユニットのオンオフ制御により無駄な電流が流れたり送電線路が不整合となって電力の反射が起こったりし易く、送電線路の末端付近まで適切に送電させることは必ずしも容易ではない。特許文献2には、送電線路を用いるような記載はなく、また、送電線路を用いるものに応用したとしても、特許文献1と同様な課題が残ると考えられる。
However, in the device described in
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、送電線路を用いるものであって、簡単な構造でありながら、送電線路の整合を取り易くして末端付近に至るまで適切に送電線路から無接触でもって電力を高い比率で伝送できる無接触電力伝送装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and its purpose is to use a power transmission line, and it is easy to easily match the power transmission line to the vicinity of the end while having a simple structure. It is another object of the present invention to provide a contactless power transmission device that can transmit power at a high rate without contact from a power transmission line.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の無接触電力伝送装置は、交流電源から末端に向けて送電する送電線路を構成するものであって直線状に延伸する開放型の第1の線路と、直線状に延伸する電磁結合部分を有した第2の線路を少なくとも有する受電体と、を備え、前記受電体の第2の線路の前記電磁結合部分が第1の線路と延伸方向を一致するように重ねて配置されたときに隙間を有し、それらが電磁結合することによって、前記交流電源の電力が第1の線路から第2の線路に分配されて伝送されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the contactless power transmission device according to
請求項2に記載の無接触電力伝送装置は、請求項1に記載の無接触電力伝送装置において、前記受電体は、第2の線路の前記電磁結合部分の交流電源側に負荷が設けられており、第2の線路に伝送された電力がこの負荷に供給されることを特徴とする。
The contactless power transmission device according to
請求項3に記載の無接触電力伝送装置は、請求項1に記載の無接触電力伝送装置において、前記受電体の第2の線路は、ループ状を成し、かつ、直線状に延伸する第2の電磁結合部分を有し、前記受電体は、更に、第2の線路の第2の電磁結合部分の延伸方向に延伸する電磁結合部分を有した第3の線路を備え、第3の線路の電磁結合部分が第2の線路の第2の電磁結合部分と隙間を有した状態で重ねて配置され電磁結合することによって、第2の線路に伝送された電力が第2の線路から第3の線路に伝送されることを特徴とする。
The contactless power transmission device according to
請求項4に記載の無接触電力伝送装置は、請求項3に記載の無接触電力伝送装置において、前記受電体は、第3の線路の前記電磁結合部分の交流電源側に負荷が設けられており、第3の線路に伝送された電力がこの負荷に供給されることを特徴とする。
The contactless power transmission device according to
請求項5に記載の無接触電力伝送装置は、請求項3又は4に記載の無接触電力伝送装置において、前記受電体は前記送電線路の末端側に設けられ、その前段側にその他の受電体が設けられていることを特徴とする。
The contactless power transmission device according to
請求項6に記載の無接触電力伝送装置は、請求項1〜5のいずれかに記載の無接触電力伝送装置において、第2の線路の少なくとも前記電磁結合部分及び第1の線路は、薄板状であって、ブロードサイドにおいて重ねて配置されることを特徴とする。
The contactless power transmission device according to claim 6 is the contactless power transmission device according to any one of
請求項7に記載の無接触電力伝送装置は、請求項6に記載の無接触電力伝送装置において、第2の線路は、前記電磁結合部分を第1の線路から幅方向にずらすことによって、第1の線路との隙間を一定にしつつ伝送される電力を小さくすることを特徴とする。 The contactless power transmission device according to claim 7 is the contactless power transmission device according to claim 6, wherein the second line is formed by shifting the electromagnetic coupling portion in the width direction from the first line. It is characterized in that the electric power transmitted is made small while keeping the gap with one line constant.
請求項8に記載の無接触電力伝送装置は、請求項1〜7のいずれかに記載の無接触電力伝送装置において、前記送電線路は通路又は道路に固定され、前記受電体は移動しながら送電線路から電力を受け取ることを特徴とする。
The contactless power transmission device according to
請求項9に記載の無接触電力伝送装置は、請求項1〜8のいずれかに記載の無接触電力伝送装置において、第2の線路の前記電磁結合部分は、誘導成分及び/又は容量成分が付加されるよう幅方向に突出した突出部が設けられていることを特徴とする。
The contactless power transmission device according to claim 9 is the contactless power transmission device according to any one of
請求項10に記載の無接触電力伝送装置は、請求項9に記載の無接触電力伝送装置において、前記突出部は、誘導成分が付加されるようその先端部が接地導体に接続されていることを特徴とする。
The contactless power transmission device according to
請求項11に記載の無接触電力伝送装置は、請求項10に記載の無接触電力伝送装置において、前記突出部は、中央近傍に1個設けられていることを特徴とする。 The contactless power transmission device according to an eleventh aspect is the contactless power transmission device according to the tenth aspect, wherein one protrusion is provided near the center.
請求項12に記載の無接触電力伝送装置は、請求項1〜11のいずれかに記載の無接触電力伝送装置において、少なくとも第2の線路の前記電磁結合部分は、メタマテリアルからなることを特徴とする。
The contactless power transmission device according to
本発明の無接触電力伝送装置によれば、受電体の第2の線路の電磁結合部分が第1の線路の一部と延伸方向を一致するように重ねて配置されたときに隙間を有し、それらが電磁結合することによって、交流電源の電力が第1の線路から第2の線路に分配されて伝送されるように構成したので、非常に簡単な構造でありながら、送電線路の整合を取り易くして末端付近に至るまで適切に送電線路から無接触でもって電力を高い比率で伝送できるものとなる。 According to the contactless power transmission device of the present invention, there is a gap when the electromagnetic coupling portion of the second line of the power receiver is arranged so as to coincide with a part of the first line so as to coincide with the extending direction. Because they are electromagnetically coupled, the power of the AC power supply is distributed and transmitted from the first line to the second line, so that the transmission line can be matched while having a very simple structure. It becomes easy to obtain, and power can be transmitted at a high rate without contact from the power transmission line appropriately up to the vicinity of the end.
以下、本発明を実施するための好ましい形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る無接触電力伝送装置1Aは、図1の模式図に示すように、交流電源2から末端に向けて送電する送電線路3を構成するものであって直線状(凹凸がないよう一様)に延伸する第1の線路31の途中から無接触で受電体4Aに電力を取り出して、受電体4Aが含む電源回路や充電回路などの負荷40に電力を供給するものである。送電線路3の2つ線(第1の線路31がその一部となる電力線(電力信号線)、及び接地線)の末端(終端)では、それらの間に終端抵抗3aが付加されている。
Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the contactless
無接触電力伝送装置1Aの第1の線路31は、開放型の線路であり、それを通る電力(電力信号)によるエバネセント界は少なくとも一方向に開放されていて他のものに遮断されていない。より詳しくは、図2の構造図に示すように、第1の線路31は、ブロードサイド(幅広の面)が上側と下側の面となっている薄板状(扁平状)の導体であって、ブロードサイドの幅Saが一様なものである。第1の線路31は、エバネセント界は少なくとも上方に開放されている。なお、図2において省略しているが、第1の線路31と平行に、その下方或いは側方に接地線が設けられている。また、第1の線路31は長く延伸しており、その両端は、入力端T1と出力端T2である。入力端T1に交流電源2からの電力が入力される。なお、第1の線路31は、1の材質から成り、厚み(ナローサイドの幅)が一様である。後述の第2の線路41A、41B、第3の線路42についても、同様である。
The
受電体4Aは、直線状に延伸する電磁結合部分41aを有した第2の線路41Aを備える。第2の線路41Aの電磁結合部分41aは、第1の線路31と延伸方向を一致するように平行に重ねて配置されたときに、所要の隙間Seを有し、それらがエバネセント界により電磁結合することになる。より詳しくは、図2に示すように、第2の線路41Aの電磁結合部分41aは上側と下側の面がブロードサイドとなっており、その下側の面は、第1の線路31の上側の面との間に隙間Seを有している。第2の線路41Aの電磁結合部分41aと第1の線路31がブロードサイドにおいて重ねて配置されると、それらは強く電磁結合する。第2の線路41Aの両端は、出力端T3と出力端T4である。上記の負荷40は、出力端T4、すなわち、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの入力端T1側(すなわち、交流電源2側)に接続されている。なお、図2においては、接地導体は省略している。
The
無接触電力伝送装置1Aについてのシミュレーションを示す。図2における第1の線路31の幅Saを一様に1.7mmとし、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの長さSbと幅Scをそれぞれ、16.7mm、0.6mmとし、電磁結合部分41a以外の第2の線路41Aの幅Sdを1.7mmとした。第2の線路41Aの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Seは、0.2mmとした。なお、各線路は比誘電率3.37の絶縁材料の中に形成されているものとした。こうすると、線路の支持が強固なものとなる。図3は、入力端T1に入力される電力信号の周波数を変えたとき、入力端T1に反射される電力の比率S11、出力端T2に出力される電力の比率S21、出力端T3に出力される電力の比率S31、出力端T4に出力される電力の比率S41を示している。
The simulation about the non-contact electric
図3において出力端T4に出力される電力の比率S41の曲線が示すように、入力端T1に入力された電力は、出力端T4に大きな比率で分配されている。その最大値は、−3dB程度(50%程度)であって、入力端T1に入力された電力信号の周波数が2.5GHz近傍のときに最大値が得られる。これは、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの長さSbが16.7mmであるので、それが電力信号の周波数が2.5GHz近傍のときのその1/4波長にほぼ一致するからである。第1の線路31との電磁結合により第2の線路41Aの電磁結合部分41aを成す各部に伝達された電力は、合成され、ほとんどが出力端T4に進行する電力となる。これは、方向性結合器の原理と同様である。出力端T4に出力される電力の比率S41は、最大値が得られる周波数から小さく又は大きくなっていくに従って小さくなる。
As shown the curve of the power ratio S 41 that is output to the output terminal T4 is 3, is input to the input terminal T1 power is distributed in a large proportion to the output terminal T4. The maximum value is about −3 dB (about 50%), and the maximum value is obtained when the frequency of the power signal input to the input terminal T1 is in the vicinity of 2.5 GHz. This is because the length Sb of the
図3において入力端T1に反射される電力の比率S11の曲線が示すように、入力端T1に反射される電力は、周波数が約2.5GHzでは−12dB程度と少ない。また、出力端T3に出力される電力の比率S31の曲線が示すように、出力端T3に出力される電力は、周波数が約2.5GHzでは−20dB程度と非常に少ない。 As the curve of the ratio S 11 of the power reflected to the input terminal T1 in FIG. 3, power reflected to the input terminal T1 is, -12 dB around the frequency of about 2.5GHz and less. Further, as shown by the curve of the power ratio S 31 that is output to the output terminal T3, the power output to the output terminal T3 are very small and about 2.5GHz at -20dB about frequency.
このように、入力端T1に入力される電力(交流電源2の電力)は、第1の線路31から第2の線路41Aに分配されて伝送され、出力端T4を介して負荷40に供給される。そのとき、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの長さSbを電力信号の波長の1/4或いはその近傍にすることにより、出力端T4に出力される電力の比率S41を最大値近くにすることができる。また、第2の線路41Aの電磁結合部分41aを第1の線路3から離れるように幅Sa方向にずらして電磁結合を小さくし、出力端T4に出力される電力の比率S41を小さくすることができ、それにより、第2の線路41Aに伝送されて負荷40に供給される電力が小さくなるよう調整することもできる。
As described above, the power input to the input terminal T1 (the power of the AC power supply 2) is distributed and transmitted from the
一方、入力端T1に反射される電力が少ない、すなわち第1の線路31(及びそれによって構成される送電線路3)の整合が取れているので、末端付近に至るまで第1の線路31から無接触で電力を受電体4Aに高い比率で伝送できる。
On the other hand, since the power reflected by the input terminal T1 is small, that is, the first line 31 (and the
また、電力の伝送が第1の線路31と受電体4Aの第2の線路41Aの電磁結合部分41aの電磁結合によるものなので、コイルなどが存在せず、構造が非常に簡単である。そのため、無接触電力伝送装置1Aは故障が少なく、耐久性の高いものとなる。
Moreover, since electric power is transmitted by electromagnetic coupling between the
次に、受電体4Aが送電線路3に沿って移動する場合を説明する。第1の線路31の幅Saは一様であるので、第2の線路41Aの電磁結合部分41aを重ねるのは第1の線路31のいずれの位置であっても出力端T4に出力される電力の比率S41や入力端T1に反射される電力の比率S11は変わらない。すなわち、受電体4Aが移動しながらでも、電力を受電体41に高い比率で分配し、送電線路3においては反射される電力を少なくすることができる。
Next, a case where the
塵埃を嫌う工場のクリーンルームや人体に悪影響を及ぼすような場所において、受電体4Aの通路に送電線路3を固定しておけば、受電体4Aは、移動しながらでも送電線路3から無接触で電力を受け取り、常に稼動できることになる。また、電気自動車などの車両の充電の場合、送電線路3を道路(レーンなど)に固定し、送電線路3に沿ってその上を車両(受電体4A)が移動して行けば、停車することなく充電できるようにすることも可能である。
If the
無接触電力伝送装置1Aは、例えば図4に示すように、送電線路3に沿って受電体4Aを複数設けることが可能である。図4中の受電体4A1、4A2、4A3がそれぞれ−3dBの電力を取り出せるとすると、送電線路3の交流電源2に近い受電体4A1には、交流電源2が出力する電力の1/2程度が伝送される。その次の受電体4A2には、受電体4A1によって取り出された残りの電力の1/2程度(すなわち、交流電源2が出力する電力の1/4程度)が伝送される。その次の受電体4A3には、受電体4A1、4A2によって取り出された残りの電力の1/2程度(すなわち、交流電源2が出力する電力の1/8程度)が伝送される。受電体4A1、4A2、4A3に伝送された残りの電力は、終端抵抗3aで消費される。1つの受電体4A(例えば、受電体4A1)が取り出す電力が余り大きくならないように、第2の線路41Aの電磁結合部分41aを第1の線路31から幅Sa方向にずらして電磁結合を弱めることも可能である。なお、受電体4Aの数は、3個に限らず2個或いは4個以上とすることができるのは勿論である。また、終端抵抗3aの部分は、それを同等なインピーダンスの整流回路や充電回路などに置き換えて、終端抵抗3aで消費される電力を有効利用することも可能である。
As shown in FIG. 4, for example, the contactless
次に、本発明の別の実施形態に係る無接触電力伝送装置1Bについて説明する。この無接触電力伝送装置1Bは、上記の無接触電力伝送装置1Aとは受電体が異なる。無接触電力伝送装置1Bの受電体4Bは、図5の模式図に示すように、上記と同様の電磁結合部分41aを有した第2の線路41Bが大略ロ字形のループ状を成し、かつ、電磁結合部分41aと対向する位置に、直線状に延伸する第2の電磁結合部分41bを有している。受電体4Bは、更に、第2の線路41Bの第2の電磁結合部分41bの延伸方向に延伸する電磁結合部分42aを有した第3の線路42を備える。第3の線路42の電磁結合部分42aは、第2の線路41Bの第2の電磁結合部分41bに所要の隙間を有した状態で平行に重ねて配置され、エバネセント界により電磁結合している。
Next, a contactless
より詳しくは、図6の構造図に示すように、第2の線路41Bの第2の電磁結合部分41bと第3の線路42の電磁結合部分42aはそれぞれ、上側と下側の面がブロードサイドとなっており、ブロードサイドにおいて互いに重ねて配置され、強く電磁結合している。第3の線路42の両端は、出力端T3と出力端T4である。上記の負荷40は、出力端T4、すなわち、第3の線路42の電磁結合部分42aの入力端T1側(すなわち、交流電源2側)に接続されている。なお、図6においては、接地導体は省略している。
More specifically, as shown in the structural diagram of FIG. 6, the upper and lower surfaces of the second
無接触電力伝送装置1Bについてのシミュレーションを示す。図6における第1の線路31の幅Saを一様に1.8mmとし、第2の線路41Bの電磁結合部分41aの長さSbと、第2の線路41Bの第2の電磁結合部分41b及び第3の線路42の電磁結合部分42aの長さSfと、をともに16.7mmとし、第2の線路41Bの電磁結合部分41aの幅Scを0.7mmとし、第2の線路41Bの第2の電磁結合部分41b及び第3の線路42の電磁結合部分42aの幅Sgを0.6mmとし、電磁結合部分41a及び第2の電磁結合部分41b以外の第2の線路41Bの幅Sdを1.8mmとし、電磁結合部分42a以外の第3の線路42の幅Shを1.8mmとした。第2の線路41Bの電磁結合部分41aと第1の線路31間の隙間Seと、第2の線路41Bの第2の電磁結合部分41bと第3の線路42の電磁結合部分42a間の隙間Siと、はともに0.2mmとした。また、第2の線路41Bの全体の長さ(ループの長さ)は、66.8mmとした。なお、各線路は比誘電率3.37の絶縁材料の中に形成されているものとした。図7は、入力端T1に入力される電力信号の周波数を変えたとき、入力端T1に反射される電力の比率S11、出力端T2に出力される電力の比率S21、出力端T3に出力される電力の比率S31、出力端T4に出力される電力の比率S41を示している。
The simulation about the non-contact electric
図7において出力端T4に出力される電力の比率S41の曲線が示すように、入力端T1に入力された電力は、出力端T4に非常に大きな比率で分配されている。その最大値は、0dB程度が得られ、入力端T1に入力された電力信号の周波数が2.5GHz近傍のときに最大値が得られる。前述の通り、第2の線路41Bの電磁結合部分41aの長さSbが16.7mmであるので、電力信号の周波数が2.5GHz近傍のとき、第2の線路41Bに伝送された電力は、電磁結合部分41aの入力端T1側に進行する。そして、第2の線路41Bの全体の長さが66.8mmであって電力信号の1波長にほぼ一致するので、第2の線路41Bに伝送された電力は共振し増幅される。そして、その電力は、第2の線路41Bの第2の電磁結合部分41bと第3の線路42の電磁結合部分42aの電磁結合により第3の線路42に伝送され、ほとんどが出力端T4に進行するものとなる。出力端T4に出力される電力の比率S41は、最大値が得られる周波数から小さく又は大きくなっていくに従って小さくなる。
As the curve of the power ratio S 41 that is output to an output terminal T4 in FIG. 7, the power that is input to the input terminal T1 is very distributed large proportion to the output terminal T4. The maximum value is about 0 dB, and the maximum value is obtained when the frequency of the power signal input to the input terminal T1 is around 2.5 GHz. As described above, since the length Sb of the
図7において入力端T1に反射される電力の比率S11の曲線が示すように、入力端T1に反射される電力は、周波数が約2.5GHzでは−15dB程度と少ない。また、出力端T3に出力される電力の比率S31の曲線が示すように、出力端T3に出力される電力は、周波数が約2.5GHzでは−26dB程度と非常に少ない。 As the curve of the power ratio S 11 to be reflected to the input terminal T1 in FIG. 7, power reflected to the input terminal T1 is, -15 dB around the frequency of about 2.5GHz and less. Further, as shown by the curve of the power ratio S 31 that is output to the output terminal T3, the power output to the output terminal T3 are very small as about -26dB at a frequency of about 2.5 GHz.
このように、入力端T1に入力される電力(交流電源2の電力)は、第1の線路31から第2の線路41Bに分配されて伝送され、更に、第2の線路41Bから第3の線路42に伝送され、出力端T4を介して負荷40に供給される。そのとき、第2の線路41Bの電磁結合部分41aの長さSbと、第2の線路41Bの第2の電磁結合部分41b及び第3の線路42の電磁結合部分42aの長さSfと、をともに電力信号の波長の1/4或いはその近傍にし、第2の線路41Bの全体の長さを電力信号の1波長或いはその近傍にすることにより、出力端T4に出力される電力の比率S41を最大値近くにすることができる。無接触電力伝送装置1Bは、無接触電力伝送装置1Aよりも多少構造は複雑になるが、送電線路3から受電体4Bに伝送できる電力の比率をより高くすることができる。第1の線路31の整合が取り易いことや移動する受電体4Bにも適用できることなどは、無接触電力伝送装置1Aと同様である。
As described above, the power input to the input terminal T1 (the power of the AC power supply 2) is distributed and transmitted from the
無接触電力伝送装置1Bは、無接触電力伝送装置1Aについて図4を用いて述べたのと同様にして、受電体4Bを複数設けることが可能である。この場合、1つの受電体4Bが取り出せる電力は、無接触電力伝送装置1Aにおける受電体4Aよりも大きいので、1つの受電体4Bが取り出す電力が大き過ぎないように調整する。
The non-contact
また、図8に示すように、送電線路3の末端側に受電体4Bを設け、その前段側に複数の受電体4A1、4A2、4A3を設けるようにすることも可能である。このようにすると、受電体4A1、4A2、4A3によって取り出された残りの電力のほぼ全てを受電体4Bが送電線路3から取り出すことができるので、終端抵抗3aで消費される電力を極めて少なくすることが可能になる。
Moreover, as shown in FIG. 8, it is also possible to provide the
次に、受電体4A(又は4B)の構造を変形し、第2の線路41A(又は41B)の電磁結合部分41aに幅方向(延伸方向に対して垂直方向)に突出した突出部を設けたものを説明する。
Next, the structure of the
図9は、無接触電力伝送装置1Aの受電体4Aを変形し、第2の線路41Aの電磁結合部分41aに幅方向に突出した突出部41aaを設け、その先端部を接地導体49にスルーホール49a内の導体を介して接続することにより、誘導成分を付加した無接触電力伝送装置1Cを示している。図10は、比較のために、上記図2と同様の無接触電力伝送装置1Aの構造のもの、すなわち、突出部41aaとスルーホール49aがない構造のものを示している。
FIG. 9 shows a modification of the
図11(a)は図9の構造について、図11(b)は図10の構造について、入力端T1に入力される電力信号の周波数を変えたとき、入力端T1に反射される電力の比率S11、出力端T2に出力される電力の比率S21、出力端T3に出力される電力の比率S31、出力端T4に出力される電力の比率S41のシミュレーションの結果である。これらのシミュレーションでは、第2の線路41Aの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Seを大きくして0.5mmとし、より実際の場合に近づけるように、第2の線路41Aの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Seには空気(すなわち、比誘電率1.0)が有るとし、その他の各線路間には比誘電率3.38の絶縁材料が有るとしている。
FIG. 11A shows the structure shown in FIG. 9 and FIG. 11B shows the ratio shown in FIG. 10 when the frequency of the power signal input to the input terminal T1 is changed. This is a result of the simulation of S 11 , the ratio S 21 of power output to the
図11(a)のシミュレーションでは、第1の線路31の幅Saと第2の線路41Aの電磁結合部分41aの幅Scをともに2.0mmとし、電磁結合部分41a以外の第2の線路41Aの幅Sdを2.0mmとした。第2の線路41Aの電磁結合部分41aの長さSbを、25.5mmとした。突出部41aaは、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの中央に設け、突出の長さSjを1.5mm、スルーホール49aを直径1mm、長さ1.4mmとした。図11(b)のシミュレーションでは、第1の線路31の幅Sa、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの幅Sc、電磁結合部分41a以外の第2の線路41Aの幅Sdをすべて2.4mmとした。なお、これらの寸法は若干、図11(a)とは異なるが、影響は小さいことは確認している。そして、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの長さSbを17.0mmとした。
In the simulation of FIG. 11A, the width Sa of the
図11(b)のシミュレーション結果は、出力端T4に出力される電力の比率S41が、入力端T1に入力された電力信号の周波数が2.5GHz近傍のときに最大値の−6dB程度となっており、そのときの入力端T1に反射される電力の比率S11は、−17dB程度となっている。また、入力端T1に反射される電力の比率S11が、周波数が大きくなるにつれて増大している。この点は、上記の図3で示したシミュレーション結果と顕著に異なっており、その原因は、図11(b)のシミュレーションでは、第2の線路41Aの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Seには空気が有って第1の線路31の周囲の絶縁材料が非均質となり、それにより第1の線路31が不整合となっているためである。
Figure 11 simulation result of (b) is the ratio S 41 of power outputted to the output terminal T4, and -6dB of the maximum value when the frequency of the input power signal to the input terminal T1 of 2.5GHz vicinity it is, the ratio S 11 of the power reflected to the input end T1 of this time is of the order of -17 dB. Also, the ratio S 11 of the power reflected to the input end T1, and increases as the frequency increases. This point is significantly different from the simulation result shown in FIG. 3 described above, and the cause is that in the simulation of FIG. 11B, the
これに対し、図11(a)においては、出力端T4に出力される電力の比率S41は、入力端T1に入力された電力信号の周波数が2.5GHz近傍のときに−3.5dB程度となっており、そのとき入力端T1に反射される電力の比率S11は、−17.5dB程度である。また、入力端T1に反射される電力の比率S11は、周波数が2.5GHz近傍で安定し、周波数がそれよりも大きくなっても増大していない。これは、第1の線路31の不整合を第2の線路41Aの電磁結合部分41aの誘導成分でキャンセルしているためである。
On the other hand, in FIG. 11A, the ratio S 41 of the power output to the output terminal T4 is about −3.5 dB when the frequency of the power signal input to the input terminal T1 is near 2.5 GHz. The ratio S 11 of the power reflected at the input terminal T1 at that time is about −17.5 dB. The ratio S 11 of the power reflected to the input terminal T1, the frequency is stabilized at 2.5GHz vicinity, not increase even when the frequency becomes larger than that. This is because the mismatch of the
このように、第2の線路41Aの電磁結合部分41aに誘導成分を付加することにより、第2の線路41Aの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Seを大きくしても、出力端T4に出力される電力の比率S41を十分確保できる上に、入力端T1に反射される電力の比率S11を小さくすることができる。
Thus, even if the gap Se between the
また、図12は、電力信号の周波数を2.45GHzとし、突出部分41aaを2個設けて第2の線路41Aの電磁結合部分41aの中央から対称的に離して行ったシミュレーション結果である。この結果より、2個の突出部分41aa、41aaは、中央に接触して設けられると、出力端T4に出力される電力の比率S41が最も大きく、反射される電力の比率S11は最も小さい。従って、突出部分41aaは中央近傍に1個として設けるのが好ましい。
FIG. 12 shows a simulation result obtained by setting the frequency of the power signal to 2.45 GHz, providing two protruding portions 41aa, and symmetrically separating from the center of the
図13は、無接触電力伝送装置1Bの受電体4Bを変形し、第2の線路41Bの電磁結合部分41aに幅方向に突出した突出部41aaを設け、その先端部を接地導体49にスルーホール49a内の導体を介して接続することにより、誘導成分を付加した無接触電力伝送装置1Dを示している。図14は、比較のために、上記図6と同様の無接触電力伝送装置1Bの構造のもの、すなわち、突出部41aaとスルーホール49aがない構造のものを示している。
FIG. 13 shows a modification of the
図15(a)は図13の構造について、図15(b)は図14の構造について、入力端T1に入力される電力信号の周波数を変えたとき、入力端T1に反射される電力の比率S11、出力端T2に出力される電力の比率S21、出力端T3に出力される電力の比率S31、出力端T4に出力される電力の比率S41のシミュレーションの結果である。これらのシミュレーションでは、第2の線路41Bの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Seを大きくして0.5mmとし、第2の線路41Bの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Seには空気(すなわち、比誘電率1.0)が有るとし、その他の各線路間には比誘電率3.38の絶縁材料が有るとしている。
FIG. 15A shows the structure of FIG. 13 and FIG. 15B shows the structure of FIG. 14. The ratio of the power reflected to the input terminal T1 when the frequency of the power signal input to the input terminal T1 is changed. This is a result of the simulation of S 11 , the ratio S 21 of power output to the
図15(a)のシミュレーションでは、第1の線路31の幅Saと第2の線路41Bの電磁結合部分41aの幅Scをともに2.4mmとし、電磁結合部分41a以外の第2の線路41Bの幅Sdを2.4mmとした。第2の線路41Aの電磁結合部分41aの長さSbを、20.0mmとした。突出部41aaは、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの中央に設け、突出の長さSjを1.5mm、スルーホール49aを直径1mm、長さ1.5mmとした。図15(b)のシミュレーションでは、第1の線路31の幅Sa、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの幅Sc、電磁結合部分41a以外の第2の線路41Aの幅Sdをすべて2.4mmとした。第2の線路41Aの電磁結合部分41aの長さSbを18.6mmとした。
In the simulation of FIG. 15A, the width Sa of the
図15(b)のシミュレーション結果は、出力端T4に出力される電力の比率S41が、入力端T1に入力された電力信号の周波数が2.5GHz近傍のときに−2.5dB程度となっており、そのときの入力端T1に反射される電力の比率S11は、−8dB程度となっている。このような、入力端T1に反射される電力の比率S11の増大は、第2の線路41Bの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Seには空気が有って第1の線路31の周囲の絶縁材料が非均質となり、それにより第1の線路31が不整合となっているためである。
Figure 15 simulation result of (b) is the ratio S 41 of power outputted to the output terminal T4, the frequency of the input power signal to the input terminal T1 becomes -2.5dB about when 2.5GHz vicinity The ratio S 11 of the power reflected at the input terminal T1 at that time is about −8 dB. Such increase in power ratio S 11 to be reflected to the input terminal T1 is electromagnetically coupled
これに対し、図15(a)においては、出力端T4に出力される電力の比率S41は、入力端T1に入力された電力信号の周波数が2.5GHz近傍のときに−0dB程度となっており、そのとき入力端T1に反射される電力の比率S11は、−17dB程度と小さくなっている。これは、第1の線路31の不整合を第2の線路41Bの電磁結合部分41aの誘導成分でキャンセルしているためである。このように、第2の線路41Bの電磁結合部分41aに誘導成分を付加することにより、第2の線路41Bの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Seを大きくしても、出力端T4に出力される電力の比率S41を十分確保できる上に、入力端T1に反射される電力の比率S11を小さくすることができる。
On the other hand, in FIG. 15A, the ratio S 41 of the power output to the output terminal T4 is about −0 dB when the frequency of the power signal input to the input terminal T1 is near 2.5 GHz. and has a ratio S 11 at the time power reflected to the input terminal T1 is smaller about -17 dB. This is because the mismatch of the
このように、受電体4A(又は4B)の第2の線路41A(又は41B)の電磁結合部分41aに誘導成分を付加することにより、優れた特性を得ることができる。この他に第2の線路41A(又は41B)の電磁結合部分41aに幅方向に突出した突出部を設ける例として、容量成分を付加するものがあげられる。例えば、無接触電力伝送装置1Aの受電体4Aを変形した図16に示す無接触電力伝送装置1Eのように、電磁結合部分41aに幅方向に突出した比較的面積が広い突出部41abを設けて第1の線路31との間の容量成分を付加することが可能である。
In this manner, excellent characteristics can be obtained by adding an inductive component to the
また、誘導成分と容量成分をともに付加することも可能である。図17は、上記の無接触電力伝送装置1Cを更に変形し、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの両端部に幅方向に突出した突出部41ab’、41ab’を設けて第1の線路31との間の容量成分を付加した無接触電力伝送装置1Fを示している。図18は、この構造について、入力端T1に入力される電力信号の周波数を変えたとき、入力端T1に反射される電力の比率S11、出力端T2に出力される電力の比率S21、出力端T3に出力される電力の比率S31、出力端T4に出力される電力の比率S41のシミュレーションの結果である。第1の線路31の幅Sa、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの長さSb、第2の線路41Aの電磁結合部分41aの幅Sc、第2の線路41Aの電磁結合部分41aと第1の線路31の隙間Se、突出の長さSj、スルーホール49aの直径及び長さ、は、上記の図11(a)のシミュレーションの場合と同様である。なお、電磁結合部分41a以外の第2の線路41Aの幅Sdは狭めているが、影響は小さいものである。
It is also possible to add both inductive components and capacitive components. FIG. 17 shows a modification of the contactless
図18においては、出力端T4に出力される電力の比率S41は、入力端T1に入力された電力信号の周波数が2.5GHz近傍のときに−2.5dB程度となっており、そのとき入力端T1に反射される電力の比率S11は、−25dB程度となっている。このように、出力端T4に出力される電力の比率S41と、入力端T1に反射される電力の比率S11が改善されている。 In FIG. 18, the ratio S 41 of the power output to the output terminal T4 is about −2.5 dB when the frequency of the power signal input to the input terminal T1 is around 2.5 GHz. ratio S 11 of the power reflected to the input terminal T1 is of the order of -25 dB. Thus, the ratio S 41 of power outputted to the output terminal T4, the power ratio S 11 to be reflected to the input terminal T1 is improved.
以上、本発明の実施形態に係る無接触電力伝送装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、第1の線路31と第2の線路41A(又は41B)の電磁結合部分41a間や第2の線路41Bの第2の電磁結合部分41bと第3の線路42の電磁結合部分42a間のブロードサイドの重なりは、上下方向(鉛直方向)に限らず、第1の線路31を配置する場所に応じて、水平方向も可能である。また、各線路は薄板状のものを用い、線路間の電磁結合はブロードサイドにおいて行うのが極めて好ましいのであるが、少なくとも一部の電磁結合をナローサイド(幅狭の面)において行うことも可能である。場合によっては、棒状(断面が円形或いは楕円形状)の線路を用いることも可能である。
The contactless power transmission apparatus according to the embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to that described in the above-described embodiment, and is within the scope of the matters described in the claims. Various design changes are possible. For example, between the
また、適用する交流電源2や負荷40にとっては、低い周波数(例えば、10MHz程度以下)の交流の方が処理がし易く製造コストが低い。そのような周波数の場合、第2の線路41A(又は41B)の電磁結合部分41aは大変長く(例えば、10m程度)、取り扱いが難しい。そのため、第2の線路41A(又は41B)の電磁結合部分41aに、誘電率と透磁率の両方の符号や大きさが制御可能な人工物質であるメタマテリアル(例えば、右手/左手系複合線路(CRLH線路))を用いることが可能である。この場合、第2の線路41A(又は41B)の電磁結合部分41aの長さを短くすることができるとともに、上記の出力端T4に出力される電力の比率S41の最大値を0dB程度に上昇させることも可能と考えられる。
In addition, for the
1A、1B 無接触電力伝送装置
2 交流電源
3 送電線路
31 第1の線路
4A、4B 受電体
40 負荷
41A、41B 第2の線路
41a 第2の線路の電磁結合部分
41b 第2の線路の第2の電磁結合部分
42 第3の線路
42a 第3の線路の電磁結合部分
Se 第1の線路と第2の線路の電磁結合部分の隙間
1A, 1B Non-contact
Claims (12)
直線状に延伸する電磁結合部分を有した第2の線路を少なくとも備える受電体と、が設けられ、
前記受電体の第2の線路の前記電磁結合部分が第1の線路と延伸方向を一致するように重ねて配置されたときに隙間を有し、それらが電磁結合することによって、前記交流電源の電力が第1の線路から第2の線路に分配されて伝送されることを特徴とする無接触電力伝送装置。 An open-type first line that constitutes a power transmission line that transmits power from the AC power source toward the end, and extends linearly;
A power receiving body including at least a second line having an electromagnetic coupling portion extending linearly; and
When the electromagnetic coupling portion of the second line of the power receiver is arranged so as to overlap the extending direction of the first line, there is a gap, and they are electromagnetically coupled, thereby A contactless power transmission device, wherein power is distributed from a first line to a second line and transmitted.
前記受電体は、第2の線路の前記電磁結合部分の交流電源側に負荷が設けられており、第2の線路に伝送された電力がこの負荷に供給されることを特徴とする無接触電力伝送装置。 The contactless power transmission device according to claim 1,
The power receiving body is provided with a load on the AC power supply side of the electromagnetic coupling portion of the second line, and the power transmitted to the second line is supplied to the load. Transmission equipment.
前記受電体の第2の線路は、ループ状を成し、かつ、直線状に延伸する第2の電磁結合部分を有し、
前記受電体は、更に、第2の線路の第2の電磁結合部分の延伸方向に延伸する電磁結合部分を有した第3の線路を備え、
第3の線路の電磁結合部分が第2の線路の第2の電磁結合部分と隙間を有した状態で重ねて配置され電磁結合することによって、第2の線路に伝送された電力が第2の線路から第3の線路に伝送されることを特徴とする無接触電力伝送装置。 The contactless power transmission device according to claim 1,
The second line of the power receiver has a second electromagnetic coupling portion that forms a loop and extends linearly,
The power receiver further includes a third line having an electromagnetic coupling portion extending in an extending direction of the second electromagnetic coupling portion of the second line,
The electromagnetic coupling portion of the third line overlaps the second electromagnetic coupling portion of the second line with a gap and is electromagnetically coupled, so that the power transmitted to the second line is the second A non-contact power transmission device that is transmitted from a track to a third track.
前記受電体は、第3の線路の前記電磁結合部分の交流電源側に負荷が設けられており、第3の線路に伝送された電力がこの負荷に供給されることを特徴とする無接触電力伝送装置。 The contactless power transmission device according to claim 3,
The power receiver is provided with a load on an AC power supply side of the electromagnetic coupling portion of a third line, and the power transmitted to the third line is supplied to the load. Transmission equipment.
前記受電体は前記送電線路の末端側に設けられ、その前段側にその他の受電体が設けられていることを特徴とする無接触電力伝送装置。 The contactless power transmission device according to claim 3 or 4,
The contactless power transmission device according to claim 1, wherein the power receiver is provided on a terminal side of the power transmission line, and another power receiver is provided on a front side thereof.
第2の線路の少なくとも前記電磁結合部分及び第1の線路は、薄板状であって、ブロードサイドにおいて重ねて配置されることを特徴とする無接触電力伝送装置。 In the non-contact electric power transmission apparatus in any one of Claims 1-5,
At least the electromagnetic coupling portion and the first line of the second line are thin plate-shaped, and are arranged so as to overlap on the broad side.
第2の線路は、前記電磁結合部分を第1の線路から幅方向にずらすことによって、第1の線路との隙間を一定にしつつ伝送される電力を小さくすることを特徴とする無接触電力伝送装置。 The contactless power transmission device according to claim 6,
The second line reduces the electric power transmitted while keeping the gap with the first line constant by shifting the electromagnetic coupling portion in the width direction from the first line. apparatus.
前記送電線路は通路又は道路に固定され、前記受電体は移動しながら送電線路から電力を受け取ることを特徴とする無接触電力伝送装置。 In the non-contact electric power transmission apparatus in any one of Claims 1-7,
The non-contact power transmission device, wherein the power transmission line is fixed to a passage or a road, and the power receiver receives power from the power transmission line while moving.
第2の線路の前記電磁結合部分は、誘導成分及び/又は容量成分が付加されるよう幅方向に突出した突出部が設けられていることを特徴とする無接触電力伝送装置。 In the non-contact electric power transmission apparatus in any one of Claims 1-8,
The contactless power transmission apparatus according to claim 1, wherein the electromagnetic coupling portion of the second line is provided with a protruding portion protruding in the width direction so that an inductive component and / or a capacitive component is added.
前記突出部は、誘導成分が付加されるようその先端部が接地導体に接続されていることを特徴とする無接触電力伝送装置。 The contactless power transmission device according to claim 9,
The protrusion is connected to a ground conductor at a tip thereof so that an inductive component is added thereto.
少なくとも第2の線路の前記電磁結合部分は、メタマテリアルからなることを特徴とする無接触電力伝送装置。 In the non-contact electric power transmission apparatus in any one of Claims 1-11,
The contactless power transmission device according to claim 1, wherein at least the electromagnetic coupling portion of the second line is made of a metamaterial.
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