JP2013132171A - 送電装置、受電装置、および電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】送電装置と受電装置とが対向するシールド部材のシールド端部から二次放射的に広がる漏洩電磁界を抑制することが可能な構造を備える、送電装置、受電装置、および電力伝送システムを提供することにある。
【解決手段】共鳴コイル１１に非接触で電力を送電する共鳴コイル２４と、共鳴コイル２４を取り囲むように設けられる筒状部４１０ａを有する送電側シールド４１０とを備え、送電側シールド４１０は、筒状部４１０ａの共鳴コイル２４よりも共鳴コイル１１側に、共鳴コイル２４側に延びる張出し部４１０ｆが設けられている。
【選択図】図１２

Description

本発明は、送電装置、受電装置、および電力伝送システムに関する。

近年、環境への配慮からバッテリなどの電力を用いて駆動輪を駆動させるハイブリッド車両や電気自動車などが着目されている。

特に近年は、上記のようなバッテリを搭載した電動車両において、プラグなどを用いずに非接触でバッテリを充電可能なワイヤレス充電が着目されている。そして、最近では非接触の充電方式においても各種の充電方式が提案されている。

非接触の充電方式を用いた電力伝送システムとしては、たとえば、特開２０１１−０７２１８８号公報（特許文献１）が挙げられる。

これらの電力伝送システムにおいては、送電装置および受電装置ともに、一方の装置に対向する面は電磁界が通過可能に構成され、一方の装置に対向しない他の面は張出し部に覆われている。たとえば、特許文献１に開示された非接触給電システムにおいては、立方体形状のシールドボックスが用いられ、一方の装置に対向する面においては、電磁界が通過可能に設けられ、他の５面には、電磁界（近接場）を反射するように張出し部が設けられている。

特開２０１１−０７２１８８号公報

しかし、電力伝送システムにおいて、送電装置に設けられるシールドおよび受電装置に設けられるシールドが対向する領域の、各シールドのシールド端部から二次放射的に広がる漏洩電磁界の課題がある。

したがって、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、送電装置と受電装置とが対向するシールドのシールド端部から二次放射的に広がる漏洩電磁界を抑制することが可能な構造を備える、送電装置、受電装置、および電力伝送システムを提供することにある。

この発明に基づいた送電装置においては、受電部に非接触で電力を送電する送電部と、上記送電部を取り囲むように設けられる筒状部を有する送電側シールドとを備え、上記送電側シールドは、上記筒状部の上記送電部よりも受電部側に、上記送電部側に延びる張出し部が設けられている。

他の形態においては、上記張出し部は、上記筒状部に電気的に接続されている。
他の形態においては、上記張出し部は、上記筒状部の上記受電部側の端部に位置する。

他の形態においては、上記張出し部は、上記受電部から上記送電部への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有する。

他の形態においては、上記張出し部の半径方向の幅は、５ｃｍ以下である。
他の形態においては、上記送電部の固有周波数と上記受電部の固有周波数との差は、上記受電部の固有周波数の１０％以下である。

他の形態においては、上記受電部と上記送電部との結合係数は、０．１以下である。
他の形態においては、上記送電部は、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、上記受電部に電力を送電する。

この発明に基づいた電力伝送システムにおいては、送電部を含む送電装置と、上記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、上記送電装置は、上記送電部を取り囲むように設けられる筒状部を有する送電側シールドを含み、上記送電側シールドは、上記筒状部の上記送電部よりも受電部側に、上記送電部側に延びる張出し部が設けられている。

他の形態においては、上記張出し部は、上記筒状部に電気的に接続されている。
他の形態においては、上記張出し部は、上記筒状部の、上記受電部側の端部に位置する。

他の形態においては、上記張出し部は、上記受電部から上記送電部への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有する。

他の形態においては、上記張出し部の半径方向の幅は、５ｃｍ以下である。
この発明に基づいた受電装置においては、送電部から非接触で電力を受電する受電部と、上記受電部を取り囲むように設けられる筒状部を有する受電側シールドとを備え、上記受電側シールドは、上記筒状部の上記受電部よりも送電部側に、上記受電部側に延びる張出し部が設けられている。

他の形態においては、上記張出し部は、上記筒状部に電気的に接続されている。
他の形態においては、上記張出し部は、上記筒状部の、上記送電部側の端部に位置する。

他の形態においては、上記張出し部は、上記送電部から上記受電部への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有する。

他の形態においては、上記張出し部の半径方向の幅は、５ｃｍ以下である。
他の形態においては、上記送電部の固有周波数と上記受電部の固有周波数との差は、上記受電部の固有周波数の１０％以下である。

他の形態においては、上記受電部と上記送電部との結合係数は、０．１以下である。
他の形態においては、上記受電部は、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて上記送電部から電力を受電する。

この発明に基づいた電力伝送システムにおいては、送電部を含む送電装置と、上記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、上記受電装置は、上記受電部を取り囲むように設けられる筒状部を有する受電側シールドを含み、上記受電側シールドは、上記筒状部の上記受電部よりも送電部側に、上記受電部側に延びる張出し部が設けられている。

他の形態においては、上記張出し部は、上記筒状部に電気的に接続されている。
他の形態においては、上記張出し部は、上記筒状部の、上記送電部側の端部に位置する。

他の形態においては、上記張出し部は、上記送電部から上記受電部への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有する。

他の形態においては、上記張出し部の半径方向の幅は、５ｃｍ以下である。

この発明によれば、送電装置と受電装置とが対向するシールドのシールド端部から二次放射的に広がる漏洩電磁界を抑制することが可能な構造を備える、送電装置、受電装置、および電力伝送システムを提供することを可能とする。

実施の形態における送電装置、受電装置、および電力伝送システムを模式的に説明する図である。 電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。 シミュレーション結果をしめす図である。 固有周波数を固定した状態で、エアギャップを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイルに供給される電流の周波数ｆとの関係を示す図である。 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。 電力伝送システムの概略構成を示す図である。 共振周波数を１４ＭＨｚ付近（１３．５６ＭＨｚ）にした場合の伝送効率を示す図である。 電力伝送システムにおける漏洩電磁界の発生分布を示す図である。 電力伝送システムにおける漏洩電磁界の発生分布を示す縦断面図である。 送電側シールドおよび受電側シールドを設けた場合の、電力伝送システムにおける漏洩電磁界の発生分布を示す縦断面図である。 送電側シールドおよび受電側シールドに生じる渦電流の発生を模式的に示す図である。 実施の形態における送電側シールドおよび受電側シールドを設けた場合の、電力伝送システムにおける漏洩電磁界の発生分布を示す縦断面図である。 実施の形態における送電側シールドおよび受電側シールドに生じる渦電流の発生を模式的に示す図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部の幅を示す斜視図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部の幅を示す断面図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部の幅と容量との関係を示す第１図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部の幅と容量との関係を示す第２図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部の幅と容量との関係を示す第３図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部の幅と伝送効率との関係を示す図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部の幅と漏洩電磁界の低減量との関係を示す図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部の他の形態を示す図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部のさらに他の形態を示す図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部のさらに他の形態を示す図である。 実施の形態における送電側シールドに設けられる張出し部のさらに他の形態を示す図である。 電力伝送システムの他の形態を示す図である。

本発明に基づいた実施の形態における送電装置、受電装置、および電力伝送システムについて、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。また、各実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。

（実施の形態）
図１を参照して、本実施の形態に係る電力伝送システムについて説明する。図１は、実施の形態における送電装置、受電装置、および電力伝送システムを模式的に説明する図である。

本実施の形態１に係る電力伝送システムは、受電装置４０を含む電動車両１０と、送電装置４１を含む外部給電装置２０とを有する。電動車両１０の受電装置は、送電装置４１が設けられた駐車スペース４２の所定位置に停車して、主に、送電装置４１から電力を受電する。

駐車スペース４２には、電動車両１０を所定の位置に停車させるように、輪止や、駐車位置および駐車範囲を示すラインが設けられている。

外部給電装置２０は、交流電源２１に接続された高周波電力ドライバ２２と、高周波電力ドライバ２２などの駆動を制御する制御部２６と、この高周波電力ドライバ２２に接続された送電装置４１とを含む。送電装置４１は、送電部２８と、電磁誘導コイル２３とを含む。送電部２８は、共鳴コイル２４と、共鳴コイル２４に接続されたキャパシタ２５とを含む。電磁誘導コイル２３は、高周波電力ドライバ２２に電気的に接続されている。なお、この図１に示す例においては、キャパシタ２５が設けられているが、キャパシタ２５は必ずしも必須の構成ではない。

送電部２８は、共鳴コイル２４のインダクタンスと、共鳴コイル２４の浮遊容量およびキャパシタ２５のキャパシタンスとから形成された電気回路を含む。

電動車両１０は、受電装置４０と、受電装置４０に接続された整流器１３と、この整流器１３に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４に接続されたバッテリ１５と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ（Power Control Unit））１６と、このパワーコントロールユニット１６に接続されたモータユニット１７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４やパワーコントロールユニット１６などの駆動を制御する車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８とを備える。なお、本実施の形態に係る電動車両１０は、図示しないエンジンを備えたハイブリッド車両であるが、モータにより駆動される車両であれば、電気自動車や燃料電池車両も含む。

整流器１３は、電磁誘導コイル１２に接続されており、電磁誘導コイル１２から供給される交流電流を直流電流に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、整流器１３から供給された直流電流の電圧を調整して、バッテリ１５に供給する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は必須の構成ではなく省略してもよい。この場合には、外部給電装置２０にインピーダンスを整合するための整合器を送電装置４１と高周波電力ドライバ２２との間に設けることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の代用をすることができる。

パワーコントロールユニット１６は、バッテリ１５に接続されたコンバータと、このコンバータに接続されたインバータとを含み、コンバータは、バッテリ１５から供給される直流電流を調整（昇圧）して、インバータに供給する。インバータは、コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して、モータユニット１７に供給する。

モータユニット１７は、たとえば、三相交流モータなどが採用されており、パワーコントロールユニット１６のインバータから供給される交流電流によって駆動する。

なお、電動車両１０がハイブリッド車両の場合には、電動車両１０は、エンジンをさらに備える。モータユニット１７は、発電機として主に機能するモータジェネレータと、電動機として主に機能するモータジェネレータとを含む。

受電装置４０は、受電部２７と、電磁誘導コイル１２とを含む。受電部２７は、共鳴コイル１１とキャパシタ１９とを含む。共鳴コイル１１は浮遊容量を有する。このため、受電部２７は、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスとによって形成された電気回路を有する。なお、キャパシタ１９は、必須の構成ではなく、省略することができる。

本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８の固有周波数と、受電部２７の固有周波数との差は、受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％以下である。このような範囲に各送電部２８および受電部２７の固有周波数を設定することで、電力伝送効率を高めることができる。その一方で、固有周波数の差が受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％よりも大きくなると、電力伝送効率が１０％より小さくなり、バッテリ１５の充電時間が長くなるなどの弊害が生じる。

ここで、送電部２８の固有周波数とは、キャパシタ２５が設けられていない場合には、共鳴コイル２４のインダクタンスと、共鳴コイル２４のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ２５が設けられた場合には、送電部２８の固有周波数とは、共鳴コイル２４およびキャパシタ２５のキャパシタンスと、共鳴コイル２４のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、送電部２８の共振周波数とも呼ばれる。

同様に、受電部２７の固有周波数とは、キャパシタ１９が設けられていない場合には、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ１９が設けられた場合には、受電部２７の固有周波数とは、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスと、共鳴コイル１１のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、受電部２７の共振周波数とも呼ばれる。

図２および図３を用いて、固有周波数の差と電力伝送効率との関係とを解析したシミュレーション結果について説明する。図２は、電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す。電力伝送システム８９は、送電装置９０と、受電装置９１とを備え、送電装置９０は、電磁誘導コイル９２と、送電部９３とを含む。送電部９３は、共鳴コイル９４と、共鳴コイル９４に設けられたキャパシタ９５とを含む。

受電装置９１は、受電部９６と、電磁誘導コイル９７とを備える。受電部９６は、共鳴コイル９９とこの共鳴コイル９９に接続されたキャパシタ９８とを含む。

共鳴コイル９４のインダクタンスをインダクタンスＬｔとし、キャパシタ９５のキャパシタンスをキャパシタンスＣ１とする。共鳴コイル９９のインダクタンスをインダクタンスＬｒとし、キャパシタ９８のキャパシタンスをキャパシタンスＣ２とする。このように各パラメータを設定すると、送電部９３の固有周波数ｆ１は、下記の式（１）によって示され、受電部９６の固有周波数ｆ２は、下記の式（２）によって示される。

ｆ１＝１／{２π（Ｌｔ×Ｃ１）^1/2}・・・（１）
ｆ２＝１／{２π（Ｌｒ×Ｃ２）^1/2}・・・（２）
ここで、インダクタンスＬｒおよびキャパシタンスＣ１，Ｃ２を固定して、インダクタンスＬｔのみを変化させた場合において、送電部９３および受電部９６の固有周波数のズレと、電力伝送効率との関係を図３に示す。なお、このシミュレーションにおいては、共鳴コイル９４および共鳴コイル９９の相対的な位置関係は固定した状態であって、さらに、送電部９３に供給される電流の周波数は一定である。

図３に示すグラフのうち、横軸は、固有周波数のズレ（％）を示し、縦軸は、一定周波数での伝送効率（％）を示す。固有周波数のズレ（％）は、下記式（３）によって示される。

（固有周波数のズレ）＝{（ｆ１−ｆ２）／ｆ２}×１００（％）・・・（３）
図３からも明らかなように、固有周波数のズレ（％）が±０％の場合には、電力伝送効率は、１００％近くとなる。固有周波数のズレ（％）が±５％の場合には、電力伝送効率は、４０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１０％の場合には、電力伝送効率は、１０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１５％の場合には、電力伝送効率は、５％となる。すなわち、固有周波数のズレ（％）の絶対値（固有周波数の差）が、受電部９６の固有周波数の１０％以下の範囲となるように各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率を高めることができることがわかる。さらに、固有周波数のズレ（％）の絶対値が受電部９６の固有周波数の５％以下となるように、各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率をより高めることができることがわかる。なお、シミュレーションソフトしては、電磁界解析ソフトウェア（JMAG（登録商標）：株式会社ＪＳＯＬ製）を採用している。

次に、本実施の形態に係る電力伝送システムの動作について説明する。
図１において、電磁誘導コイル２３には、高周波電力ドライバ２２から交流電力が供給される。電磁誘導コイル２３に所定の交流電流が流れると、電磁誘導によって共鳴コイル２４にも交流電流が流れる。この際、共鳴コイル２４を流れる交流電流の周波数が特定の周波数となるように、電磁誘導コイル２３に電力が供給されている。

共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れると、共鳴コイル２４の周囲には特定の周波数で振動する電磁界が形成される。

共鳴コイル１１は、共鳴コイル２４から所定範囲内に配置されており、共鳴コイル１１は共鳴コイル２４の周囲に形成された電磁界から電力を受け取る。

本実施の形態においては、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４は、所謂、ヘリカルコイルが採用されている。このため、共鳴コイル２４の周囲には、特定の周波数で振動する磁界が主に形成され、共鳴コイル１１は当該磁界から電力を受け取る。

ここで、共鳴コイル２４の周囲に形成される特定の周波数の磁界について説明する。「特定の周波数の磁界」は、典型的には、電力伝送効率と共鳴コイル２４に供給される電流の周波数と関連性を有する。そこで、まず、電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数との関係について説明する。共鳴コイル２４から共鳴コイル１１に電力を伝送するときの電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の間の距離などの様々な要因よって変化する。たとえば、送電部２８および受電部２７の固有周波数（共振周波数）を固有周波数ｆ０とし、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を周波数ｆ３とし、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４の間のエアギャップをエアギャップＡＧとする。

図４は、固有周波数ｆ０を固定した状態で、エアギャップＡＧを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数ｆ３との関係を示すグラフである。

図４に示すグラフにおいて、横軸は、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３を示し、縦軸は、電力伝送効率（％）を示す。効率曲線Ｌ１は、エアギャップＡＧが小さいときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３との関係を模式的に示す。この効率曲線Ｌ１に示すように、エアギャップＡＧが小さい場合には、電力伝送効率のピークは周波数ｆ４，ｆ５（ｆ４＜ｆ５）において生じる。エアギャップＡＧを大きくすると、電力伝送効率が高くなるときの２つのピークは、互いに近づくように変化する。そして、効率曲線Ｌ２に示すように、エアギャップＡＧを所定距離よりも大きくすると、電力伝送効率のピークは１つとなり、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数が周波数ｆ６のときに電力伝送効率がピークとなる。エアギャップＡＧを効率曲線Ｌ２の状態よりもさらに大きくすると、効率曲線Ｌ３に示すように電力伝送効率のピークが小さくなる。

たとえば、電力伝送効率の向上を図るため手法として次のような第１の手法が考えられる。第１の手法としては、エアギャップＡＧにあわせて、図１に示す共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を一定として、キャパシタ２５やキャパシタ１９のキャパシタンスを変化させることで、送電部２８と受電部２７との間での電力伝送効率の特性を変化させる手法が考えられる。具体的には、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を一定とした状態で、電力伝送効率がピークとなるように、キャパシタ２５およびキャパシタ１９のキャパシタンスを調整する。この手法では、エアギャップＡＧの大きさに関係なく、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数は一定である。なお、電力伝送効率の特性を変化させる手法としては、送電装置４１と高周波電力ドライバ２２との間に設けられた整合器を利用する手法や、コンバータ１４を利用する手法などを採用することもできる。

また、第２の手法としては、エアギャップＡＧの大きさに基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する手法である。たとえば、図４において、電力伝送特性が効率曲線Ｌ１となる場合には、共鳴コイル２４には周波数が周波数ｆ４または周波数ｆ５の電流を共鳴コイル２４を供給する。そして、周波数特性が効率曲線Ｌ２，Ｌ３となる場合には、周波数が周波数ｆ６の電流を共鳴コイル２４に供給する。この場合では、エアギャップＡＧの大きさに合わせて共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数を変化させることになる。

第１の手法では、共鳴コイル２４を流れる電流の周波数は、固定された一定の周波数となり、第２の手法では、共鳴コイル２４を流れる周波数は、エアギャップＡＧによって適宜変化する周波数となる。第１の手法や第２の手法などによって、電力伝送効率が高くなるように設定された特定の周波数の電流が共鳴コイル２４に供給される。共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れることで、共鳴コイル２４の周囲には、特定の周波数で振動する磁界（電磁界）が形成される。受電部２７は、受電部２７と送電部２８の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界を通じて送電部２８から電力を受電している。したがって、「特定の周波数で振動する磁界」とは、必ずしも固定された周波数の磁界とは限らない。なお、上記の例では、エアギャップＡＧに着目して、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を設定するようにしているが、電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の水平方向のずれ等のように他の要因によっても変化するものであり、当該他の要因に基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する場合がある。

なお、本実施の形態では、共鳴コイルとしてヘリカルコイルを採用した例について説明したが、共鳴コイルとして、メアンダラインなどのアンテナなどを採用した場合には、共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れることで、特定の周波数の電界が共鳴コイル２４の周囲に形成される。そして、この電界をとおして、送電部２８と受電部２７との間で電力伝送が行われる。

本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、電磁界の「静電界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用することで、送電および受電効率の向上が図られている。図５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５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、「静電界」と称される。なお、電磁界の波長を「λ」とすると、「輻射電界」と「誘導電界」と「静電界」との強さが略等しくなる距離は、λ／2πとあらわすことができる。

「静電界」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、本実施の形態に係る電力伝送システムでは、この「静電界」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、「静電界」が支配的な近接場において、近接する固有周波数を有する送電部２８および受電部２７（たとえば一対のＬＣ共振コイル）を共鳴させることにより、送電部２８から他方の受電部２７へエネルギー（電力）を伝送する。この「静電界」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。

このように、本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８と受電部２７とを電磁界によって共振させることで送電装置４１から受電装置に電力を送電している。そして、送電部２８と受電部２７との間の結合係数（κ）は、好ましくは０．１以下である。なお、結合係数（κ）は、この値に限定されるものではなく電力伝送が良好となる種々の値をとりうる。一般的に、電磁誘導を利用した電力伝送では、送電部と受電部と間の結合係数（κ）は１．０に近いものとなっている。

本実施の形態の電力伝送における送電部２８と受電部２７との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電磁界（電磁場）共振結合」または「電界（電場）共振結合」という。

「電磁界（電磁場）共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電界（電場）共振結合」のいずれも含む結合を意味する。

本明細書中で説明した送電部２８の共鳴コイル２４と受電部２７の共鳴コイル１１とは、コイル形状のアンテナが採用されているため、送電部２８と受電部２７とは主に、磁界によって結合しており、送電部２８と受電部２７とは、「磁気共鳴結合」または「磁界（磁場）共鳴結合」している。

なお、共鳴コイル２４，１１として、たとえば、メアンダラインなどのアンテナを採用することも可能であり、この場合には、送電部２８と受電部２７とは主に、電界によって結合している。このときには、送電部２８と受電部２７とは、「電界（電場）共振結合」している。

（漏洩電磁界）
ここで、図６から図１１を参照して、本発明を適用していない送電装置４１および受電装置４０における、送電装置４１に設けられる送電側シールド４１０の端部、および受電装置４０に設けられる受電側シールド４００の端部が対向する領域の、各シールド端部から発発生する漏洩電磁界について、説明する。

図６は、電力伝送システムの概略構成を示す図、図７は、共振周波数を１４ＭＨｚ付近（１３．５６ＭＨｚ）にした場合の伝送効率を示す図、図８は、電力伝送システムにおける漏洩電磁界の発生分布を示す図、図９は、電力伝送システムにおける漏洩電磁界の発生分布を示す縦断面図、図１０は、送電側シールドおよび受電側シールドを設けた場合の、電力伝送システムにおける漏洩電磁界の発生分布を示す縦断面図、図１１は、送電側シールドおよび受電側シールドに生じる渦電流の発生を模式的に示す図である。

図６を参照して、送電装置４１と受電装置４０とは対向配置されている。送電装置４１は、電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４を含む。電磁誘導コイル２３には送電ポートＴＰが設けられている。受電装置４０は、電磁誘導コイル１２および共鳴コイル１１を含む。電磁誘導コイル１２には受電ポートＲＰが設けられている。この電力伝送システムでは、電磁誘導コイル２３、共鳴コイル２４、電磁誘導コイル１２、および共鳴コイル１１は、円環状に設けられ、同一の中心軸上に、各コイルの中心位置が配置され、共鳴コイル２４と共鳴コイル１１とが対向するように配置されている。

本電力伝送システムにおいては、共鳴コイル１１，２４の長さを調整、あるいは共鳴コイルの容量を調整することで、共振周波数を１４ＭＨｚ付近に設定することができる。電力伝送システムの伝送効率の周波数特性は、図７に示すようになる。

図７に示す周波数と伝送効率との関係から、周波数が１３．５ＭＨｚから１４．３ＭＨｚの間では、伝送効率を９０％以上で行なうことができる。たとえば、１３．５６ＭＨｚで電力伝送を行なった場合の、漏洩電磁界の分布を図８および図９に示す。図８および図９中の点線ＬＭＦにより、漏洩電磁界の分布の広がりを示す。漏洩電磁界は、中心軸ＣＬに沿いながら、各コイルの外側に向けて外部空間の広がりをもつ。

漏洩電磁界の広がりを低減するには、たとえば、図１０に示すような有底円筒形状の導体からなるシールドにより、各コイルを覆うとよい。具体的には、送電装置４１側においては、電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４の外側を取り囲むように、有底円筒状の送電側シールド４１０が設けられる。送電側シールド４１０は円形の筒状部４１０ａと、電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４を挟んで、受電装置４０とは反対側に位置する底部４１０ｂとを有する。底部４１０ｂは、必ずしも必須の構成ではない。

この送電側シールド４１０には、電磁波遮蔽効果を有するシールド材料が用いられる。たとえば、銅等の金属材料が用いられる。また、安価な部材で構成してその内面または外面に電磁波遮蔽効果を有する布やスポンジ等を貼付してもよい。

なお、シールドとは、電磁界が到達した場合に、対象物を超えて電磁界が進行することを抑制する機能を意味し、具体的には、到達した電磁波を渦電流に変換することで、電磁波が進行することを抑制することを意味する。

また、筒状部４１０ａの筒状とは、送電部２８と受電部２７とが通常使用される状態において、非接触充電を行なう際の、送電部２８と受電部２７とを結ぶ直線方向を軸として、軸方向が塞がれておらず、送電部２８を、同軸の周囲で囲む形状を意味する。したがって、円形に限定されず、コイルの形状に応じて適宜変更される。

同様に、受電装置４０側においても、漏洩電磁界の広がりを低減するには、たとえば、図１０に示すような有底円筒形状の導体からなるシールドにより、各コイルを覆うとよい。具体的には、電磁誘導コイル１２および共鳴コイル１１の外側を取り囲むように、有底円筒状の受電側シールド４００が設けられる。受電側シールド４００は円形の筒状部４００ａと、電磁誘導コイル１２および共鳴コイル１１を挟んで、送電装置４１とは反対側に位置する底部４００ｂとを有する。底部４００ｂは、必ずしも必須の構成ではない。

この受電側シールド４００には、電磁波遮蔽効果を有するシールド材料が用いられる。たとえば、銅等の金属材料が用いられる。また、安価な部材で構成してその内面または外面に電磁波遮蔽効果を有する布やスポンジ等を貼付してもよい。

送電側シールド４１０において、受電装置４０側は、電磁界が通過可能に設けられており、受電側シールド４００においては、送電装置４１側は、電磁界が通過可能に設けられている。

このように、送電側シールド４１０および受電側シールド４００を設けることで、図１０中の点線ＬＭＦに示すように、各コイルの中心軸ＣＬに延びる方向での電磁界の広がりを抑制することができる。

電磁界（電磁場）共振結合では、共振コイルに流れる電流により磁界が発生し、共振コイル上に蓄積される電荷により電界が発生する。共振コイルにシールドを近づけると、シールド上に渦電流と誘導電荷とが発生し、図１０に示したように、電磁界の広がりを抑制することができる。

しかし、図１０からも明らかなように、送電装置４１に設けられる筒状部４１０ａの受電装置４０側の端部、および受電装置４０に設けられる筒状部４００ａの送電装置４１側の端部から、中心軸ＣＬに対して直交する方向に、点線ＬＭＦに示す漏洩電磁界が発生する。

これは、図１１に示すように、各筒状部４１０ａ，４００ａの端部において発生する渦電流と誘導電荷とにより、電磁界が発生するからである。その結果、各筒状部４１０ａ，４００ａの端部から二次放射的に、点線ＬＭＦに示す漏洩電磁界が生じる結果となる。

（本実施の形態における送電側シールド４１０／受電側シールド４００）
図１２および図１３を参照して、本実施の形態における送電装置４１に設けられる送電側シールド４１０および受電装置４０に設けられる受電側シールド４００について説明する。図１２は、送電側シールド４１０および受電側シールド４００を設けた場合の、電力伝送システムにおける漏洩電磁界の発生分布を示す縦断面図、図１３は、送電側シールド４１０および受電側シールド４００に生じる渦電流の発生を模式的に示す図である。

本実施の形態における送電側シールド４１０および受電側シールド４００においては、筒状部４１０ａ，４００ａの端部から二次放射的に生じる漏洩電磁界の発生を抑制することが可能な構造を有している。

図１２を参照して、送電側シールド４１０には、筒状部４１０ａの送電部２８である共振コイル２４よりも受電部２７の共鳴コイル１１側に、共鳴コイル２４側に延びる張出し部４１０ｆが設けられている。受電側シールド４００には、筒状部４００ａの受電部２７である共振コイル１１よりも送電部２７の共鳴コイル２４側に、共鳴コイル１１側に延びる張出し部４１０ｆが設けられている。

図１３に、本実施の形態における張出し部４００ｆ，４１０ｆの具体的な構成を示す。なお、送電側シールド４１０および受電側シールド４００の基本的構成は、図１０および図１１に示した送電側シールド４１０および受電側シールド４００と同じである。

張出し部４１０ｆは、筒状部４１０ａの、受電部２７である共鳴コイル１１の側の端部に位置している。張出し部４１０ｆは、受電部２７である共鳴コイル１１から送電部２８である共鳴コイル２４への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有している。張出し部４１０ｆは、送電側シールド４１０に電気的に接続されている。張出し部４１０ｆには、送電側シールド４１０と同様に、電磁波遮蔽効果を有するシールド材料が用いられる。たとえば、銅等の金属材料が用いられる。また、安価な部材で構成してその内面または外面に電磁波遮蔽効果を有する布やスポンジ等を貼付してもよい。

張出し部４００ｆも、張出し部４１０ｆと同じ形態を有し、筒状部４００ａの、送電部２８である共鳴コイル２４の側の端部に位置している。張出し部４００ｆは、送電部２８である共鳴コイル２４から受電部２７である共鳴コイル１１への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有している。張出し部４００ｆは、受電側シールド４００に電気的に接続されている。張出し部４００ｆには、受電側シールド４００と同様に、電磁波遮蔽効果を有するシールド材料が用いられる。たとえば、銅等の金属材料が用いられる。また、安価な部材で構成してその内面または外面に電磁波遮蔽効果を有する布やスポンジ等を貼付してもよい。

このように、張出し部４１０ｆおよび張出し部４００ｆを設けることにより、図１３に示すように、張出し部４１０ｆおよび張出し部４００ｆにより形成される開口端部に強いに渦電流が発生する。この張出し部４１０ｆおよび張出し部４００ｆに生じる渦電流により、図１２に示すように、シールド端部から二次放射的に生じる漏洩電磁界を抑制することができる。また、張出し部４１０ｆおよび張出し部４００ｆを設けることにより、コイルから生じる磁路を遮ることも可能となる。

張出し部４１０ｆおよび張出し部４００ｆを設けた場合、共振周波数は変化する。したがって、共振周波数を一定に保つためには、たとえば、共鳴コイルの容量を変化させて共振周波数を調整することができる。

図１４から図２０を参照して、張出し部４１０ｆを設けた場合の、共振周波数の調整について説明する。図１４および図１５は、筒状部４１０ａに設けられる張出し部４１０ｆの幅を示す斜視図および断面図、図１６から図１８は、筒状部４１０ａに設けられる張出し部４１０ｆの幅と容量との関係を示す第１から第３図、図１９は、筒状部４１０ａに設けられる張出し部の折り返し幅と伝送効率との関係を示す図、図２０は、筒状部４１０ａの幅と漏洩電磁界の低減量との関係を示す図である。受電側シールド４００の筒状部４００ａに設けられる張出し部４００ｆにおける共振周波数の調整については、送電側と同じあるため、以下、送電側について説明する。

図１４および図１５に示すように、筒状部４１０ａに設けられる張出し部４１０ｆの幅をＷとする。ここで、幅Ｗは、受電部２７である共鳴コイル１１から送電部２８である共鳴コイル２４への法線（中心軸ＣＬ）方向から見た場合の半径方向での長さを意味する。

たとえば、図１６に示すように、張出し部４１０ｆの幅Ｗが０ｃｍの場合（つまり、張出し部４１０ｆを設けていない場合）の共鳴コイル２４の容量が７９ｐＦである場合に、図１７に示すように、張出し部４１０ｆの幅Ｗが５ｃｍであれば、共鳴コイル２４の容量が８０ｐＦとなるように調整し、図１８に示すように、張出し部４１０ｆの幅Ｗが５ｃｍであれば、鳴コイル２４の容量が８３ｐＦとなるように調整する。

その結果、図１９に示すように、張出し部４１０ｆの幅Ｗが０ｃｍの場合の共振周波数に対して、張出し部４１０ｆの幅Ｗが５ｃｍの場合であっても、共振周波数を一定の値に保つことができる。

このように、共振周波数を調整しながら張出し部４１０ｆを設けることにより、図２０に示すように、幅Ｗが０ｃｍを超え５ｃｍ以下の範囲内において、効率よく漏洩電磁界を低減させ、かつ、高効率な電力伝送を維持することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、図２１に示すように、張出し部４１０ｆを、筒状部４１０ａに対して半径方向に垂直に取り付ける場合について説明しているが、この構造に限定されない。

たとえば、図２２に示すように、筒状部４１０ａに対して筒状部４１０ａ側に傾斜する（内角α°）するように張出し部４１０ｆを設けてもよい。また、図２３に示すように、筒状部４１０ａの端部から受電部２７から遠ざかる方向の位置に（距離ｈ）張出し部４１０ｆを設けてもよい。さらに、筒状部４１０ａに対して隙間Ｓを設けて張出し部４１０ｆを配置しても構わない。

なお、上記実施の形態では、コイル１２およびコイル２３として電磁誘導コイルを含んだ送電装置および受電装置を例示したが、電磁誘導コイルを含まない共鳴型非接触送受電装置にも本発明は適用可能である。具体的には、電磁誘導コイル２３を設けずに、共鳴コイル２４に電源部（交流電源２１、高周波電力ドライバ２２）を直接接続してもよい。また、電磁誘導コイル１２を設けずに、共鳴コイル１１に整流器１３を直接接続してもよい。

図２５に、図１に示した構造を基本とした、電磁誘導コイル２３を設けない送電装置４１および受電装置４０を示す。上述した全ての実施の形態に対して、図１７に示す送電装置４１および受電装置４０を準用することが可能である。

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。

１０ 電動車両、１１，２４，９４，９９ 共鳴コイル、１２，２３ 電磁誘導コイル、１３ 整流器、１４ コンバータ、１５ バッテリ、１６ パワーコントロールユニット、１７ モータユニット、１９，２５，９５，９８ キャパシタ、２０ 外部給電装置、２１ 交流電源、２２ 高周波電力ドライバ、２６ 制御部、２７，９６ 受電部、２８，９３ 送電部、４０，９１ 受電装置、４１，９０ 送電装置、４２ 駐車スペース、８９ 電力伝送システム、４００ 受電側シールド、４００ａ，４１０ａ 筒状部、４００ｂ，４１０ｂ 底部、４００ｆ，４００ｆ，４１０ｆ，４１０ｆ 張出し部、４１０ 送電側シールド。

Claims (26)

1. 受電部に非接触で電力を送電する送電部と、
   前記送電部を取り囲むように設けられる筒状部を有する送電側シールドと、を備え、
   前記送電側シールドは、前記筒状部の前記送電部よりも受電部側に、前記送電部側に延びる張出し部が設けられている、送電装置。
2. 前記張出し部は、前記筒状部に電気的に接続されている、請求項１に記載の送電装置。
3. 前記張出し部は、前記筒状部の前記受電部側の端部に位置する、請求項１または２に記載の送電装置。
4. 前記張出し部は、前記受電部から前記送電部への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有する、請求項１から３のいずれかに記載の送電装置。
5. 前記張出し部の半径方向の幅は、５ｃｍ以下である、請求項４に記載の送電装置。
6. 前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数の１０％以下である、請求項１に記載の送電装置。
7. 前記受電部と前記送電部との結合係数は、０．１以下である、請求項１に記載の送電装置。
8. 前記送電部は、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、前記受電部に電力を送電する、請求項１に記載の送電装置。
9. 送電部を含む送電装置と、前記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、
   前記送電装置は、
   前記送電部を取り囲むように設けられる筒状部を有する送電側シールドを含み、
   前記送電側シールドは、前記筒状部の前記送電部よりも受電部側に、前記送電部側に延びる張出し部が設けられている、電力伝送システム。
10. 前記張出し部は、前記筒状部に電気的に接続されている、請求項９に記載の電力伝送システム。
11. 前記張出し部は、前記筒状部の、前記受電部側の端部に位置する、請求項９または１０に記載の電力伝送システム。
12. 前記張出し部は、前記受電部から前記送電部への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有する、請求項９から１１のいずれかに記載の電力伝送システム。
13. 前記張出し部の半径方向の幅は、５ｃｍ以下である、請求項１２に記載の電力伝送システム。
14. 送電部から非接触で電力を受電する受電部と、
    前記受電部を取り囲むように設けられる筒状部を有する受電側シールドと、を備え、
    前記受電側シールドは、前記筒状部の前記受電部よりも送電部側に、前記受電部側に延びる張出し部が設けられている、受電装置。
15. 前記張出し部は、前記筒状部に電気的に接続されている、請求項１４に記載の受電装置。
16. 前記張出し部は、前記筒状部の、前記送電部側の端部に位置する、請求項１４または１５に記載の受電装置。
17. 前記張出し部は、前記送電部から前記受電部への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有する、請求項１４から１６のいずれかに記載の受電装置。
18. 前記張出し部の半径方向の幅は、５ｃｍ以下である、請求項１４に記載の受電装置。
19. 前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数の１０％以下である、請求項１４に記載の受電装置。
20. 前記受電部と前記送電部との結合係数は、０．１以下である、請求項１４に記載の受電装置。
21. 前記受電部は、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて前記送電部から電力を受電する、請求項１４に記載の受電装置。
22. 送電部を含む送電装置と、前記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、
    前記受電装置は、
    前記受電部を取り囲むように設けられる筒状部を有する受電側シールドを含み、
    前記受電側シールドは、前記筒状部の前記受電部よりも送電部側に、前記受電部側に延びる張出し部が設けられている、電力伝送システム。
23. 前記張出し部は、前記筒状部に電気的に接続されている、請求項２２に記載の電力伝送システム。
24. 前記張出し部は、前記筒状部の、前記送電部側の端部に位置する、請求項２２または２３に記載の電力伝送システム。
25. 前記張出し部は、前記送電部から前記受電部への法線方向から見た場合に、半径方向に所定の幅を有する環状の形態を有する、請求項２２から２４のいずれかに記載の電力伝送システム。
26. 前記張出し部の半径方向の幅は、５ｃｍ以下である、請求項２５に記載の電力伝送システム。

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