JP2011087433A

JP2011087433A - ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送システム

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Publication number: JP2011087433A
Application number: JP2009239778A
Authority: JP
Inventors: Takashi Urano; 高志浦野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: US8981597B2; US20110193421A1; JP5476917B2

Abstract

【課題】磁場共振型のワイヤレス給電において、共振周波数を調整しやすくする。
【解決手段】給電コイルＬ_２から受電コイルＬ_３には磁気共振により電力が伝送される。受電コイルＬ_３はキャパシタＣ_３が直列接続され、受電コイル回路１３０を形成する。受電コイルＬ_３には、更に、調整コイルＬ_５が接続される。調整コイルＬ_５のインダクタンスを調整することにより、受電コイル回路１３０の共振周波数を調整できる。ここで、調整コイルＬ_５の軸方向と送電方向は直交するため、調整コイルＬ_５には起電力が発生しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電力のワイヤレス送電および受電に関する。

電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。

電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、距離を大きくすると電力伝送効率が急激に低下してしまうため数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。ワイヤレスであるため完全に絶縁されたシステム構成が可能であり、特に、雨天時の給電に効果的であると考えられる。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。

磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。

エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷から交流電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。

米国公開２００８／０２７８２６４号公報特開２００６−２３００３２号公報国際公開２００６／０２２３６５号公報米国公開２００９／００７２６２９号公報米国公開２００９／００１５０７５号公報特開２００９−１０６１３６号公報

受電コイルはキャパシタと接続されてＬＣ共振回路を形成する。給電コイルも別のキャパシタと接続されてＬＣ共振回路を形成する。これらのＬＣ共振回路の共振周波数が互いに一致するとき、電力伝送効率が最大となる。ＬＣ共振回路の共振周波数は、コイルのインダクタンスとキャパシタの静電容量（キャパシタンス）によって調整できる。

特許文献５に示されるシステムでは、コイルのインダクタンスを固定とし、２つの可変キャパシタにより静電容量を調整している（FIG.9、段落［００６３］参照）。このシステムの共振周波数は、１３．９ＭＨｚという高周波数帯に設定されている（FIG.10A、段落［００６４］参照）。

しかし、特許文献５のシステムにおいて共振周波数を低周波数帯に設定する場合には、大容量の可変キャパシタが必要となり、その電極板面積を大きくしなければならない。この結果、システムの物理的なサイズも大きくなってしまう。１３５ｋＨｚ以下の周波数帯は電波法の規制が緩やかであることから、共振周波数を低周波数帯に設定することが好ましい場合もある。

本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、磁場共振型のワイヤレス給電において、共振周波数の調整を容易にすることを主たる目的とする。

本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルから受電コイルにワイヤレスにて交流電力を送電する装置である。この装置は、電源回路と給電コイル回路を含む。電源回路は給電コイルに交流電力を供給する。給電コイル回路は給電コイルとキャパシタを含み、受電コイルの共振周波数にて共振する。給電コイル回路には、更に、受電コイルが発生させる磁束の方向に対して軸方向が略直交する調整コイルが設けられる。

調整コイルにより、給電コイル回路のインダクタンスが調整される。この結果、調整コイルにより給電コイル回路の共振周波数が調整される。受電コイルが発生させる磁束が調整コイルを貫くと、調整コイルには起電力が発生してしまう。しかし、調整コイルの軸方向と磁束方向が直交していれば、調整コイルに起電力は発生しにくくなる。このため、調整コイルの軸方向と磁束方向を直交させれば、調整コイルに対する外部磁界の影響を排除しつつ、給電コイル回路のインダクタンスのみを調整しやすくなる。「略直交」とは、軸方向と磁束方向の成す角度が９０°であることが望ましいが、たとえば、８５°〜９５°のようにある程度のマージンを設けてもよい。いずれにしても、調整コイルに発生する起電力が許容可能な程度まで抑制できればよい。

調整コイルの軸方向は、給電コイルの送電方向に対して略直交するとしてもよい。また、この装置は、給電コイルと磁気結合するエキサイトコイルを含むエキサイト回路を更に備えてもよい。そして、エキサイト回路は、電源回路から供給された交流電力をエキサイトコイルから給電コイルに供給してもよい。調整コイルは、軸方向に移動する可動コアを備えてもよい。そして、給電コイル回路のインダクタンスを、可動コアの移動量により調整してもよい。

本発明に係るワイヤレス受電装置は、給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置である。この装置は、受電コイル回路とロード回路を含む。受電コイル回路は、受電コイルおよびキャパシタを含み、給電コイルの共振周波数にて共振する。ロード回路は、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルと、ロードコイルから交流電力を供給される負荷を含む。受電コイル回路には、更に、給電コイルが発生させる磁束の方向に対して軸方向が略直交する調整コイルが設けられる。

調整コイルにより、受電コイル回路のインダクタンスを調整できる。すなわち、調整コイルにより受電コイル回路の共振周波数を調整できる。給電コイルが発生させる磁束が調整コイルを貫くと、調整コイルには起電力が発生する。しかし、調整コイルの軸方向と磁束方向が直交していれば、調整コイルに起電力は発生しにくくなる。このため、調整コイルの軸方向と磁束方向を直交させることにより、給電コイル回路のインダクタンスを調整しやすくなる。

調整コイルの軸方向は、給電コイルの送電方向に対して略直交してもよい。調整コイルは、軸方向に移動する可動コアを備えてもよい。そして、受電コイル回路のインダクタンスは、可動コアの移動量により調整されてもよい。

本発明におけるワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するためのシステムである。このシステムは、給電コイルに交流電力を供給する電源回路と、給電コイルおよび第１のキャパシタを含み、上記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、受電コイルおよび第２のキャパシタを含み、上記共振周波数にて共振する受電コイル回路と、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルと、ロードコイルから交流電力を供給される負荷とを含むロード回路を備える。給電コイル回路および受電コイル回路の双方または一方には、更に、給電コイルの送電方向に対してその軸方向が略直交となる調整コイルが設けられる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電技術において、共振周波数の調整が容易となる。特に、低周波数帯において共振周波数を調整しやすくなる。

ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。エキサイトコイルおよび給電コイルの巻線状態を示す模式図である。受電コイルおよびロードコイルの巻線状態を示す模式図である。受電パッケージと調整コイルの位置関係を示す模式図の第１例である。タイプＡ１において、給電コイルが発生させる磁束と調整コイルの関係を示す模式図である。調整コイルの断面図の一例である。調整コイルの断面図の別例である。受電パッケージと調整コイルの位置関係を示す模式図の第２例である。受電パッケージと調整コイルの位置関係を示す模式図の第３例である。受電パッケージと調整コイルの位置関係を示す模式図の第４例である。タイプＢ１において、給電コイルが発生させる磁束と調整コイルの関係を示す模式図である。受電パッケージと調整コイルの位置関係を示す模式図の第５例である。各種設置方法と電力伝送効率の関係を示す図である。ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の第１の別例である。ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の第２の別例である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

図１は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、給電側のワイヤレス給電装置１０２と、受電側のワイヤレス受電装置１０４を含む。ワイヤレス給電装置１０２は、エキサイト回路１１０と給電コイル回路１２０を含む。ワイヤレス受電装置１０４は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。

給電コイル回路１２０が有する給電コイルＬ_２と、受電コイル回路１３０が有する受電コイルＬ_３の間には０．２〜１．０ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイルＬ_２から受電コイルＬ_３にワイヤレスにて電力を送ることである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、１００ｋＨｚ以下の共振周波数にて動作させることを想定したシステムである。本実施形態においては共振周波数＝４４．５ｋＨｚであるとして説明する。したがって、給電コイル回路１２０の共振周波数と受電コイル回路１３０の共振周波数はそれぞれ４４．５ｋＨｚに設定される。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。

以下、給電コイルＬ_２から受電コイルＬ_３に向かう方向にｚ軸を設定する。また、ｚ軸に直交するｘ軸とｙ軸を図１に示すように設定する。

エキサイト回路１１０は、エキサイトコイルＬ_１と交流電源１１２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ_１の一方の端点をＡ、他方の端点をＢとする。エキサイトコイルＬ_１は、交流電源１１２から共振周波数＝４４．５ｋＨｚの交流電力を供給される。エキサイトコイルＬ_１の巻き数は１回、コイル導体断面形状は０．６ｍｍ×６．０ｍｍの長方形、エキサイトコイルＬ_１自体の形状は２１０ｍｍ×２１０ｍｍの正方形である。図１では、わかりやすさのため、エキサイトコイルＬ_１を円形に描いている。他のコイルについても同様である。図１に示す各コイルの材質はいずれも銅である。

給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ_２とキャパシタＣ_２が直列接続された回路である。給電コイルＬ_２の一方の端点をＣ、他方の端点をＤとする。給電コイルＬ_２は１５回巻きで１２８（μＨ）のコイルであり、キャパシタＣ_２の静電容量は０．１（μＦ）である。エキサイトコイルＬ_１と給電コイルＬ_２は互いに向かい合っている。エキサイトコイルＬ_１と給電コイルＬ_２の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、エキサイトコイルＬ_１と給電コイルＬ_２は電磁気的に強く結合している。給電コイルＬ_２のコイル導体断面形状は０．６ｍｍ×６．０ｍｍの長方形、給電コイルＬ_２自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。エキサイトコイルＬ_１に交流電流Ｉ_１を流すと、電磁誘導の原理により給電コイルＬ_２に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には交流電流Ｉ_２が流れる。交流電流Ｉ_２は交流電流Ｉ_１よりも格段に大きい。給電コイルＬ_２とキャパシタＣ_２それぞれの値は、給電コイル回路１２０の共振周波数が４４．５ｋＨｚとなるように設定される。

受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ_３と調整コイルＬ_５、キャパシタＣ_３が直列接続された回路である。受電コイルＬ_３の一方の端点をＥ、他方の端点をＦとする。調整コイルＬ_５は端点Ｆ側に接続される。受電コイルＬ_３は１４回巻きで１１２（μＨ）のコイルであり、キャパシタＣ_３の静電容量は０．１（μＦ）である。給電コイルＬ_２と受電コイルＬ_３は互いに向かい合っている。給電コイルＬ_２と受電コイルＬ_３の距離は、０．２ｍ〜１ｍ程度と比較的長い。受電コイルＬ_３のコイル導体断面形状は０．６×６．０ｍｍの長方形、受電コイルＬ_３自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。受電コイル回路１３０の共振周波数も４４．５ｋＨｚとなるように、受電コイルＬ_３とキャパシタＣ_３それぞれの値が設定される。共振周波数は、調整コイルＬ_５により微調整可能である。調整コイルＬ_５については、図４以降に関連して後述する。給電コイル回路１２０が共振周波数＝４４．５ｋＨｚにて磁界を発生させることにより、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも大きな交流電流Ｉ_３が流れる。

ロード回路１４０は、ロードコイルＬ_４と負荷ＬＤが直列接続された回路である。ロードコイルＬ_４の一方の端点をＧ、他方の端点をＨとする。受電コイルＬ_３とロードコイルＬ_４は実質的に重なり合うほど近接する。このため、受電コイルＬ_３とロードコイルＬ_４は電磁的に特に強く結合している。ロードコイルＬ_４の巻き数は１回、コイル導体断面形状は０．６×６．０ｍｍの長方形、ロードコイルＬ_４自体の形状は３００ｍｍ×３００ｍｍである。受電コイルＬ_３に交流電流Ｉ_３が流れることにより、ロードコイルＬ_４に起電力が発生し、交流電流Ｉ_４が流れる。こうして、交流電源１１２から供給される交流電力は、エキサイト回路１１０と給電コイル回路１２０により送電され、受電コイル回路１３０とロード回路１４０により受電され、負荷ＬＤにより取り出される。

負荷ＬＤを受電コイル回路１３０に直列接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。また、電力伝送効率を高めるためには、エキサイトコイルＬ_１、給電コイルＬ_２、受電コイルＬ_３およびロードコイルＬ_４の中心線を揃えることが好ましい。

キャパシタの静電容量は、通常、製造時において±５％程度のばらつきが発生する。このため、受電コイル回路１３０の共振周波数が４４．５ｋＨｚとなるようなキャパシタＣ_３を選んでも、実際の共振周波数は４４．５ｋＨｚからずれることがある。キャパシタＣ_３の静電容量が可変であれば、共振周波数を事後的に調整可能であるが、共振周波数が低周波数帯にあるときには大容量のキャパシタＣ_３が必要となる。この場合、キャパシタＣ_３が大型化しやすい。現在のところ、小型、大容量かつ可変のキャパシタは実用的ではない。

共振周波数を低くするためには、受電コイル回路１３０のインダクタンスを大きくしてもよい。しかし、受電コイルＬ_３のパラメータは共振特性に影響するため、受電コイルＬ_３自体を調整対象とするのは好ましくない。そこで、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００では、調整コイルＬ_５を受電コイルＬ_３に直列接続し、調整コイルＬ_５のインダクタンスを調整することにより、受電コイル回路１３０の共振周波数を調整している。

図２は、エキサイトコイルＬ_１および給電コイルＬ_２の巻線状態を示す模式図である。エキサイトコイルＬ_１は、空芯コイルであり、そのコイル導体断面形状は略長方形である。給電コイルＬ_２は、エキサイトコイルＬ_１の外側に巻回されるコイルであり、そのコイル導体断面形状も略長方形である。ワイヤレス給電装置１０２の全部または一部は、送電パッケージ１０６としてパッケージ化される。送電パッケージ１０６により、ワイヤレス給電装置１０２の大部分がワンパッケージ化される。本実施形態においては、エキサイトコイルＬ_１と給電コイルＬ_２は距離ゼロにて重なり合っているため、電磁的に強く結合する。また、エキサイトコイルＬ_１と給電コイルＬ_２は、共にそのコイル導体断面形状が略長方形であるため、多重に巻回しても、送電パッケージ１０６のサイズ（正方形面の面積）が大きくなりにくい。このような構成により、コンパクトでありながらワイヤレス給電装置１０２の主要部を含む送電パッケージ１０６を形成できる。

図３は、受電コイルＬ_３およびロードコイルＬ_４の巻線状態を示す模式図である。受電コイルＬ_３は、空芯コイルであり、そのコイル導体断面形状は略長方形である。ロードコイルＬ_４は、受電コイルＬ_３の外側に巻回されるコイルであり、そのコイル導体断面形状も略長方形である。ワイヤレス受電装置１０４の全部または一部は、受電パッケージ１０８としてパッケージ化される。受電パッケージ１０８により、ワイヤレス受電装置１０４の大部分がワンパッケージ化される。本実施形態においては、受電コイルＬ_３とロードコイルＬ_４も距離ゼロにて重なり合っているため、電磁的に強く結合する。このような構成により、コンパクトでありながらワイヤレス受電装置１０４の主要部を含む受電パッケージ１０８を形成できる。

図４は、受電パッケージ１０８と調整コイルＬ_５の位置関係を示す模式図の第１例である。調整コイルＬ_５はボビン１１６に巻回され、ボビン１１６の内部には可動コア１１４が挿入されている。上述したように、調整コイルＬ_５は受電コイルＬ_３と直列接続される。調整コイルＬ_５、ボビン１１６および可動コア１１４の詳細な構造については、図６、図７に関連して後述する。図４に示すように、調整コイルＬ_５は、受電パッケージ１０８の外側に設けられ、その軸方向はｘ軸方向と一致している。エキサイトコイルＬ_１、給電コイルＬ_２、受電コイルＬ_３およびロードコイルＬ_４の軸方向はいずれもｚ軸方向であるため、これらのコイルと調整コイルＬ_５は互いに軸方向が直交している。以下、図４に示す調整コイルＬ_５の設置方法を「タイプＡ１」とよぶ。

図５は、タイプＡ１において、給電コイルＬ_２が発生させる磁束と調整コイルＬ_５の関係を示す模式図である。給電コイルＬ_２は、ｚ方向を軸方向として送電パッケージ１０６のｘｙ平面に巻回される。このため、給電コイルＬ_２の磁束Ｍはｚ軸方向に発生し、受電パッケージ１０８のｘｙ平面を垂直に貫く。受電コイルＬ_３は、ｚ方向を軸方向として受電パッケージ１０８のｘｙ平面に巻回される。したがって、受電コイルＬ_３には起電力が発生し、交流電流Ｉ_３が流れる。給電コイルＬ_２と受電コイルＬ_３が同一の共振周波数にて共振するとき、給電コイルＬ_２から受電コイルＬ_３への電力伝送効率は最大となる。

一方、磁束Ｍの向き（ｚ軸方向）と調整コイルＬ_５の軸方向（ｘ軸方向）は直交する。このため、調整コイルＬ_５には起電力が発生しない。すなわち、調整コイルＬ_５は交流電流Ｉ_３の増減要因とはならない。調整コイルＬ_５は、受電コイル回路１３０のインダクタンスのみを増減させる。

図６は、調整コイルＬ_５の断面図の一例である。調整コイルＬ_５は、ボビン１１６に巻回される。ボビン１１６の内壁面にはねじ溝が切られており、同じくねじ溝を切られた外壁面を有する可動コア１１４がボビン１１６内に挿入される。ボビン１１６は樹脂製であり、可動コア１１４はフェライト等の磁性体である。可動コア１１４を回転させれば、可動コア１１４は軸方向（ｘ軸方向）に移動する。可動コア１１４をボビン１１６に深く挿入するほど、調整コイルＬ_５のインダクタンスが大きくなる。すなわち、可動コア１１４の移動量により受電コイル回路１３０の共振周波数を調整できる。

図７は、調整コイルＬ_５の断面図の別例である。図６の構成と異なり、外壁面にねじ溝を切られた円筒状のコアケース１１８に、円柱状の可動コア１１４を挿入している。コアケース１１８は樹脂製である。コアケース１１８と可動コア１１４は接着剤等により一体化する。可動コア１１４を含むコアケース１１８を回転させれば、可動コア１１４は軸方向（ｘ軸方向）に移動する。このような構造においても、可動コア１１４の移動量により受電コイル回路１３０の共振周波数を調整できる。

図８は、受電パッケージ１０８と調整コイルＬ_５の位置関係を示す模式図の第２例である。調整コイルＬ_５は受電パッケージ１０８と重なるように設けられ、その軸方向はｘ軸方向と一致している。エキサイトコイルＬ_１、給電コイルＬ_２、受電コイルＬ_３およびロードコイルＬ_４の軸方向はいずれもｚ軸方向であるため、これらのコイルと調整コイルＬ_５は互いに直交している。以下、図８に示す調整コイルＬ_５の設置方法を「タイプＡ２」とよぶ。タイプＡ２の場合にも、給電コイルＬ_２の磁束Ｍによって調整コイルＬ_５には起電力が発生しない。

図９は、受電パッケージ１０８と調整コイルＬ_５の位置関係を示す模式図の第３例である。調整コイルＬ_５は受電パッケージ１０８の空芯内に設けられ、その軸方向はｘ軸方向と一致している。この場合にも、エキサイトコイルＬ_１等と調整コイルＬ_５は互いに直交する。以下、図９に示す調整コイルＬ_５の設置方法を「タイプＡ３」とよぶ。タイプＡ３の場合にも、給電コイルＬ_２の磁束Ｍによって調整コイルＬ_５には起電力が発生しない。

図１０は、受電パッケージ１０８と調整コイルＬ_５の位置関係を示す模式図の第４例である。図４と同様、調整コイルＬ_５は受電パッケージ１０８の外側に設けられる。ただし、その軸方向はｘ軸方向ではなくｚ軸方向と一致している。エキサイトコイルＬ_１、給電コイルＬ_２、受電コイルＬ_３およびロードコイルＬ_４の軸方向はいずれもｚ軸方向であるため、これらのコイルと調整コイルＬ_５は互いに平行となる。図１０に示す設置方法において、調整コイルＬ_５の巻き線方向と受電コイルＬ_３の巻き線方向が同一となるパターンを「タイプＢ１」、逆となるパターンを「タイプＢ２」とよぶ。

図１１は、タイプＢ１において、給電コイルＬ_２が発生させる磁束と調整コイルＬ_５の関係を示す模式図である。給電コイルＬ_２の磁束Ｍはｚ軸方向に発生し、受電コイルＬ_３だけでなく調整コイルＬ_５も垂直に貫く。これにより、受電コイルＬ_３だけでなく調整コイルＬ_５にも起電力が発生する。すなわち、タイプＢ１にて調整コイルＬ_５を設置した場合、受電コイル回路１３０のインダクタンスだけでなく、受電コイル回路１３０を流れる交流電流Ｉ_３も変化する。この結果、受電コイルＬ_３の共振周波数と給電コイルＬ_２の共振周波数を一致させるのが難しくなる。

図１２は、受電パッケージ１０８と調整コイルＬ_５の位置関係を示す模式図の第５例である。図９と同様、調整コイルＬ_５は受電パッケージ１０８の空芯内に設けられる。ただし、その軸方向はｘ軸方向ではなくｚ軸方向と一致している。したがって、エキサイトコイルＬ_１等のコイルと調整コイルＬ_５は互いに軸方向が同一となる。図１２に示す設置方法において、調整コイルＬ_５の巻き線方向と受電コイルＬ_３の巻き線方向が同一となるパターンを「タイプＢ３」、逆となるパターンを「タイプＢ４」とよぶ。

図１３は、各種設置方法と電力伝送効率の関係を示す図である。図１３において、入力電圧（Ｖ）は交流電源１１２が発生させる電圧の実効値、入力電流（Ａ）はエキサイト回路１１０を流れる交流電流Ｉ_１の実効値であり、入力電力（Ｗ）は入力電圧と入力電流から計算した送電電力の実効値である。出力電力（Ｗ）は、負荷ＬＤから取り出される電力の実効値である。効率（％）は、出力電力（Ｗ）／入力電力（Ｗ）により求められる。

図１３において、タイプＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ４の各設置方法について、出力電力が２０（Ｗ）となるように、交流電源１１２の出力値を調整している。タイプＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ４のいずれの場合にも、調整コイルＬ_５の調整値は同一であるとする。図１３によれば、タイプＡ１〜Ａ３においてはいずれも８１．６％の高い効率が実現されているが、タイプＢ１〜Ｂ４の効率は８０％に満たない。

タイプＢ１〜Ｂ４の場合、交流電源１１２の出力を変化させると、調整コイルＬ_５の起電力も変化する。したがって、交流電源１１２の出力値を変化させるときには、調整コイルＬ_５を最適調整する必要がある。一方、タイプＡ１〜Ａ３の場合には、交流電源１１２の出力を変化させても調整コイルＬ_５には起電力は発生しない。このため、受電コイル回路１３０の共振周波数をいったん調整したあとは、交流電源１１２の出力値を変化させても調整コイルＬ_５の再調整は不要となる。交流電源１１２の出力値が調整コイルＬ_５に直接的な影響を及ぼさないためである。

受電コイルＬ_３の巻き数を、給電コイルＬ_２の巻き数よりも少なくしておき、調整コイルＬ_５により受電コイル回路１３０のインダクタンスを調整してもよい。たとえば、給電コイルＬ_２のインダクタンスは１２８（μＨ）、巻き数は１５回であり、受電コイルＬ_３のインダクタンスは１１２（μＨ）、巻き数１４回であるとする。いずれのコイルのＡＬ値も０．５７１（μＨ／Ｎ^２）である。すなわち、０．５７１×１５^２＝１２８（μＨ）、０．５７１×１４^２＝１１２（μＨ）である。

調整コイルＬ_５は、可動コア１１４を挿入しないときのインダクタンスが４．９（μＨ）、可動コア１１４を半分挿入したときのインダクタンスが１７（μＨ）、可動コア１１４を完全挿入したときのインダクタンスが２８（μＨ）であるとする。したがって、受電コイルＬ_３と直列に接続される調整コイルＬ_５に、可動コア１１４を半分だけ挿入すれば、１１２＋１７＝１２９（μＨ）となり、給電コイルＬ_２のインダクタンスとほぼ一致させることができる。

図１４は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の第１の別例である。図１に示したように交流電源１１２によりエキサイトコイルＬ_１を駆動するのではなく、図１４に示すように交流電源１１２により給電コイルＬ_２とキャパシタＣ_５を共振させることにより、給電コイルＬ_２を直接駆動してもよい。この場合には、エキサイト回路１１０を不要化できるため、ワイヤレス給電装置１０２を小型化しやすいというメリットがある。エキサイトコイルＬ_１を使用する図１の構成の場合には、図１４の構成に比べて給電側のＱ値を高くしやすいというメリットがある。

図１５は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の第２の別例である。図１、図１４に示したように受電コイル回路１３０に調整コイルＬ_５を設けるのではなく、図１５に示すように調整コイルＬ_５を給電コイル回路１２０側に設けてもよい。この場合には、調整コイルＬ_５により給電コイル回路１２０のインダクタンスを調整できる。給電コイルＬ_２の巻き数を、受電コイルＬ_３の巻き数よりも少なくしておき、調整コイルＬ_５によりインダクタンスを調整してもよい。調整コイルＬ_５の軸方向と、受電コイルＬ_３が発生させる磁束の方向が直交するように調整コイルＬ_５を設置する。すなわち、タイプＡ１〜Ａ３のいずれかの設置方法により、調整コイルＬ_５を送電パッケージ１０６に設置する。

なお、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０の双方に調整コイルＬ_５を設けてもよい。また、図１４のようにエキサイト回路１１０を使用しないタイプでも、給電コイル回路１２０に調整コイルＬ_５を設ければ、給電コイル回路１２０のインダクタンスを調整できる。

以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００を説明した。本実施形態によれば、調整コイルＬ_５により、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０のインダクタンスを調整できる。また、給電コイルＬ_２が発生させる磁束により調整コイルＬ_５に起電力が発生しないため、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０の共振周波数を調整しやすくなる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

たとえば、調整コイルＬ_５を遮蔽シールドで囲むことにより、調整コイルＬ_５に対する外部磁界の影響を防いでもよい。

１００ワイヤレス電力伝送システム、１０２ワイヤレス給電装置、１０４ワイヤレス受電装置、１０６送電パッケージ、１０８受電パッケージ、１１０エキサイト回路、１１２交流電源、１１４可動コア、１１６ボビン、１１８コアケース、１２０給電コイル回路、１３０受電コイル回路、１４０ロード回路、Ｌ_１エキサイトコイル、Ｌ_２給電コイル、Ｌ_３受電コイル、Ｌ_４ロードコイル、Ｌ_５調整コイル、ＬＤ負荷、Ｃ_１〜Ｃ_３キャパシタ。

Claims

給電コイルから受電コイルにワイヤレスにて交流電力を送電するための装置であって、
前記給電コイルに前記交流電力を供給する電源回路と、
前記給電コイルおよびキャパシタを含み、前記受電コイルの共振周波数にて共振する給電コイル回路と、を備え、
前記給電コイル回路には、更に、前記受電コイルが発生させる磁束の方向に対して軸方向が略直交する調整コイルが設けられることを特徴とするワイヤレス給電装置。
前記調整コイルの軸方向は、前記給電コイルの送電方向に対して略直交することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
前記給電コイルと磁気結合するエキサイトコイルを含むエキサイト回路、を更に備え、
前記エキサイト回路は、前記電源回路から供給された前記交流電力を前記エキサイトコイルから前記給電コイルに供給することを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
前記調整コイルは、軸方向に移動する可動コアを備え、
前記給電コイル回路のインダクタンスは、前記可動コアの移動量により調整されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置であって、
前記受電コイルおよびキャパシタを含み、前記給電コイルの共振周波数にて共振する受電コイル回路と、
前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから前記交流電力を供給される負荷とを含むロード回路と、を備え、
前記受電コイル回路には、更に、前記給電コイルが発生させる磁束の方向に対して軸方向が略直交する調整コイルが設けられることを特徴とするワイヤレス受電装置。
前記調整コイルの軸方向は、前記給電コイルの送電方向に対して略直交することを特徴とする請求項５に記載のワイヤレス受電装置。
前記調整コイルは、軸方向に移動する可動コアを備え、
前記受電コイル回路のインダクタンスは、前記可動コアの移動量により調整されることを特徴とする請求項５または６に記載のワイヤレス受電装置。
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するためのシステムであって、
前記給電コイルに交流電力を供給する電源回路と、
前記給電コイルおよび第１のキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、
前記受電コイルおよび第２のキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する受電コイル回路と、
前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから前記交流電力を供給される負荷とを含むロード回路と、を備え、
前記給電コイル回路および前記受電コイル回路の双方または一方には、更に、前記給電コイルの送電方向に対してその軸方向が略直交となる調整コイルが設けられることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。