JP2013223262A

JP2013223262A - 共鳴型非接触給電システム

Info

Publication number: JP2013223262A
Application number: JP2012091350A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Nakatani; 克俊中谷; Masanori Sagawa; 正憲佐川; Naofumi Chiwata; 直文千綿
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】送電側共鳴コイルから受電側共鳴コイルへ高効率で電力を伝送することができる周波数帯を広げることが可能な共鳴型非接触給電システムを提供する。
【解決手段】共鳴型非接触給電システム１は、交流電源２と前記交流電源２から電力が供給される送電側共鳴コイル５とを有する送電側装置１１と、前記送電側共鳴コイル５から電磁界共鳴によって電力が供給される受電側共鳴コイル６を有する受電側装置１２とを備え、前記送電側共鳴コイル５の内側の面積と前記受電側共鳴コイル６の内側の面積とが異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁界共鳴方式による共鳴型非接触給電システムに関する。

従来、電磁界共鳴方式によって、給電側から受電側にワイヤレスで負荷に給電する非接触給電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の車両用共鳴型非接触給電システムは、電源から電力の供給を受ける送電側共鳴コイルと、送電側共鳴コイルからの電力を受電する車両側の受電側共鳴コイルと、受電側共鳴コイルが受電した電力を蓄える蓄電池とから構成される。

特開２０１２−３４４６８号公報

電磁界共鳴方式による共鳴型非接触給電システムは、例えばコイルに鎖交する磁束の変化によって負荷側に給電する電磁誘導方式に比較して、送電側及び受電側の共鳴コイルの共振周波数から外れた周波数帯で電力伝送を行うと、急激に電力伝送効率が下がってしまう。つまり、送電側共鳴コイルに供給される電力の周波数の変動によって電力伝送効率が大きく変動し、性能の安定性が損なわれる。

そこで本発明は、送電側共鳴コイルから受電側共鳴コイルへ高効率で電力を伝送することができる周波数帯を広げることが可能な共鳴型非接触給電システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、交流電源と前記交流電源から電力が供給される送電側共鳴コイルとを有する送電側装置と、前記送電側共鳴コイルから電磁界共鳴によって電力が供給される受電側共鳴コイルを有する受電側装置とを備え、前記送電側共鳴コイルの内側の面積と前記受電側共鳴コイルの内側の面積とが異なる共鳴型非接触給電システムを提供する。

また、前記送電側共鳴コイルの内側の面積よりも前記受電側共鳴コイルの内側の面積が大きいとよい。

また、前記送電側共鳴コイルの内側の面積は、前記受電側共鳴コイルの内側の面積の１．９６倍以上であるとよい。

本発明に係る共鳴型非接触給電システムによれば、送電側共鳴コイルから受電側共鳴コイルへ高効率で電力を伝送することができる周波数帯を広げることができる。

本実施の形態に係る共鳴型非接触給電システムの構成を示す構成図である。（ａ）は送電側共鳴コイルを示す一方からの斜視図であり、（ｂ）は受電側共鳴コイルを示す一方からの斜視図である。（ａ）は送電側共鳴コイルを示す他方からの斜視図であり、（ｂ）は受電側共鳴コイルを示す他方からの斜視図である。送電側共鳴コイルのコイル径と受電側共鳴コイルのコイル径とを変えた場合の交流電源が出力する交流電力の周波数と電力の伝送損失との関係を示すグラフである。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係る共鳴型非接触給電システム１の一構成例を図１，図２及び図３を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る共鳴型非接触給電システム１の構成を示す構成図である。図２（ａ）は送電側共鳴コイル５を示す一方からの斜視図であり、図２（ｂ）は受電側共鳴コイル６を示す一方からの斜視図である。図３（ａ）は送電側共鳴コイル５を示す他方からの斜視図であり、図３（ｂ）は受電側共鳴コイル６を示す他方からの斜視図である。

この共鳴型非接触給電システム１は、電磁界共鳴方式によって送電側装置１１から受電側装置１２に非接触で電力を供給するものであり、受電側装置１２は、例えば走行用の駆動源として電気モータを有する車両や、あるいは携帯電話等の携帯情報端末である。

共鳴型非接触給電システム１は、高周波の交流電力を供給する交流電源２と交流電源２から電力が供給される送電側共鳴コイル５とを有する送電側装置１１と、送電側共鳴コイル５から電磁界共鳴によって電力が供給される受電側共鳴コイル６と受電側共鳴コイル６から電力が供給される蓄電池７とを有する受電側装置１２とを備えている。

送電側共鳴コイル５は、断面形状が円状であり、樹脂からなる円筒部材５０と、円筒部材５０に対して螺旋状に巻きつけられた第１エナメル線５１及び第２エナメル線５２とを有する。第１エナメル線５１は、円筒部材５０の軸方向の中心側から一方側に向かって、一端から他端が円筒部材５０に対して螺旋状に巻きつけられている。第２エナメル線５２は、円筒部材５０の軸方向の中心側から他方側に向かって、一端から他端が円筒部材５０に対して螺旋状に巻きつけられている。

第１エナメル線５１及び第２エナメル線５２の一端には、同軸ケーブル用のコネクタ３１が接続される。第１エナメル線５１の一端は、コネクタ３１の中心導体３１１に対して電気的に接続される。第２エナメル線５２の一端は、コネクタ３１の外部導体３１２に対して電気的に接続される。

第１エナメル線５１及び第２エナメル線５２の他端は、短絡しておらず、第１エナメル線５１及び第２エナメル線５２は、開経路を形成する。

受電側共鳴コイル６は、送電側共鳴コイル５と同様に、断面形状が円状であり、樹脂からなる円筒部材６０と円筒部材６０に対して螺旋状に環状となるように巻きつけられた第１エナメル線６１と第２エナメル線６２とを有する。

第１エナメル線５１，６１及び第２エナメル線５２，６２は、中心に導体、導体の外周に絶縁性であるエナメル被覆を有する。本実施の形態のエナメル線は、例えば導体が銅であり、その外周にエナメル被覆を有している。

第１エナメル線６１は、円筒部材６０の軸方向の中心側から一方側に向かって、一端から他端が円筒部材６０に対して螺旋状に巻きつけられている。第２エナメル線６２は、円筒部材６０の軸方向の中心側から他方側に向かって、一端から他端が円筒部材６０に対して螺旋状に巻きつけられている。

第１エナメル線６１及び第２エナメル線６２の一端には、同軸ケーブル用のコネクタ３３が接続される。第１エナメル線６１の一端は、コネクタ３３の中心導体３３１に対して電気的に接続される。第２エナメル線６２の一端は、コネクタ３３の外部導体３３２に対して電気的に接続される。

第１エナメル線６１及び第２エナメル線６２の他端は、短絡しておらず、第１エナメル線６１及び第２エナメル線６２は、開経路を形成する。なお、第１エナメル線６１及び第２エナメル線６２は、閉経路であっても、短経路であってもよい。

送電側共鳴コイル５のコイル径と受電側共鳴コイル６のコイル径とは異なる。送電側共鳴コイル５のコイル径と受電側共鳴コイル６のコイル径とが異なることによって、送電側共鳴コイル５の内側の面積と受電側共鳴コイル６の内側の面積とが異なる。本実施の形態では、例えば送電側共鳴コイル５は、コイル径が３００ｍｍ、コイルの内側の面積が２．８３×１０^５ｍｍ^２である。例えば受電側共鳴コイル６は、コイル径が３５０ｍｍ、コイルの内側の面積が３．８５×１０^５ｍｍ^２である。

交流電源２は、予め設定された共鳴型非接触給電システム１の共振周波数に等しい周波数の交流電力を出力する。本実施の形態では、例えば数十ＭＨｚ程度の高周波電力を出力する。

交流電力を出力する交流電源２には、コネクタ３２が接続される。交流電源２の一方の出力側は、コネクタ３２の中心導体に電気的に接続される。交流電源２の他方の出力側は、コネクタ３２の外部導体に電気的に接続される。

交流電源２のコネクタ３２と送電側共鳴コイル５のコネクタ３１との間は、電力伝送用同軸ケーブルであるパワーケーブル４１によって電気的に接続される。従って、交流電源２と送電側共鳴コイル５との間は、コネクタ３１，３２及びパワーケーブル４１を介して電気的に接続され、交流電源２から送電側共鳴コイル５に電力が供給される。

蓄電池７には、コネクタ３４が接続される。蓄電池７の一方の入力側は、コネクタ３４の中心導体に電気的に接続される。蓄電池７の他方の出力側は、コネクタ３４の外部導体に電気的に接続される。

蓄電池７のコネクタ３４と受電側共鳴コイル６のコネクタ３３との間は、電力伝送用同軸ケーブルであるパワーケーブル４２によって電気的に接続される。従って、蓄電池７と受電側共鳴コイル６との間は、コネクタ３３，３４及びパワーケーブル４２を介して電気的に接続される。

送電側共鳴コイル５と受電側共鳴コイル６とは、同軸上に位置するように、所定の間隔を空けて配設される。本実施の形態では、例えば送電側共鳴コイル５と受電側共鳴コイル６との間隔は２００ｍｍである。

交流電源２から送電側共鳴コイル５に供給された電力は、電磁界共鳴によって受電側共鳴コイル６に供給される。受電側共鳴コイル６に供給された電力は、コネクタ３３，３４及びパワーケーブル４２を介して蓄電池７に供給される。蓄電池７には、供給された交流電力を直流電力に変換する整流器が内蔵されている。蓄電池７は、整流器によって交流電力から直流電力に変換された電力を化学反応によって蓄電する。蓄電池７は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池からなる二次電池である。蓄電池７に蓄えられた電力は、例えば電気モータの駆動や、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等を備えた電子回路の動作のために供される。

次に、送電側共鳴コイル５のコイル径と受電側共鳴コイル６のコイル径とが異なることによる効果について、図４を参照して説明する。図４は、送電側共鳴コイル５のコイル径と受電側共鳴コイル６のコイル径とを変えた場合の交流電源２が出力する交流電力の周波数と電力の伝送損失との関係を示すグラフである。以下、送電側共鳴コイル５のコイル径を記号φ_１、受電側共鳴コイル６のコイル径を記号φ_２で表すこととする。また、送電側共鳴コイル５の内側の面積を記号Ｓ_１、受電側共鳴コイル６の内側の面積を記号Ｓ_２で表すこととする。

この実験では、送電側共鳴コイル５と受電側共鳴コイル６のコイル間距離を２００ｍｍ、φ_１を３００ｍｍ，３５０ｍｍ、φ_２を３００ｍｍ，２５０ｍｍの組合せとする４パターンとして伝送損失を測定した。グラフの横軸は、交流電源２の出力した電力の周波数であり、縦軸は、交流電源２と蓄電池７との間における電力の伝送損失である。グラフ中の「◆」でプロットする曲線はφ_１＝３００ｍｍ，φ_２＝３００ｍｍの場合を示し、「×」でプロットする曲線はφ_１＝３５０ｍｍ，φ_２＝３００ｍｍの場合を示し、「■」でプロットする曲線はφ_１＝３００ｍｍ，φ_２＝２５０ｍｍの場合を示し、「▲」でプロットする曲線はφ_１＝３５０ｍｍ，φ_２＝２５０ｍｍの場合の特性を示す。

また、以降の説明では、伝送損失が−３ｄＢとなる点での周波数の幅を帯域幅Δｆとし、φ_１＝３００ｍｍ，φ_２＝３００ｍｍの時の帯域幅をΔｆ_１、φ_１＝３５０ｍｍ，φ_２＝３００ｍｍの時の帯域幅をΔｆ_２、φ_１＝３００ｍｍ，φ_２＝２５０ｍｍの時の帯域幅をΔｆ_３、φ_１＝３５０ｍｍ，φ_２＝２５０ｍｍの時の帯域幅をΔｆ_４とする。それぞれの帯域幅を表１に示す。

図４及び表１より、φ_１とφ_２とが同じ場合（φ_１＝３００ｍｍ，φ_２＝３００ｍｍ）の帯域幅Δｆ_１が１．４４ＭＨｚであるのに対して、コイル径比φ_１／φ_２が１．４０、コイル面積比Ｓ_１／Ｓ_２が１．９６の場合（φ_１＝３５０ｍｍ，φ_２＝２５０ｍｍ）には、帯域幅Δｆ_４は１．６０ＭＨｚとなり、帯域幅Δｆが１１．２％広がっている。

（実施の形態の効果）
以上に説明した本実施の形態によれば、送電側共鳴コイル５のコイル径φ_１（コイルの内側の面積Ｓ_１）と受電側共鳴コイル６のコイル径φ_２（コイルの内側の面積Ｓ_２）とが一定の範囲内で異なるようにすることによって、帯域幅Δｆを広くすることができる。すなわち、送電側共鳴コイル５から受電側共鳴コイル６へ高効率（伝送損失が３ｄＢ以下）で電力を伝送することができる周波数帯を広げることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、第１エナメル線５１，６１及び第２エナメル線５２，６２のエナメル被覆の材料はポリウレタンとしたが、種々のポリエステル材料や、ポリイミドであってもよい。また、エナメル被覆は、異なる材料を複数層被覆することによって形成してもよい。

また、受電側共鳴コイル６及び送電側共鳴コイル５の断面形状は、円状であるとしたが、多角形状、楕円形状や中空形状等であってもよい。

また、送電側共鳴コイル５のコイル径と受電側共鳴コイル６のコイル径との組合せについて、データを示したものだけでなく、送電側共鳴コイル５のコイル径（もしくはコイル内側の面積）と受電側共鳴コイル６のコイル径（もしくはコイル内側の面積）とが異なり、高効率で電力を伝送することができる周波数帯を広げることができる組合せであればよい。

１…共鳴型非接触給電システム、２…交流電源、５…送電側共鳴コイル、６…受電側共鳴コイル、７…蓄電池、１１…送電側装置、１２…受電側装置、３１，３２，３３，３４…コネクタ、４１，４２…パワーケーブル、５０，６０…円筒部材、５１，６１…第１エナメル線、５２，６２…第２エナメル線、３１１，３３１…中心導体、３１２，３３２…外部導体

Claims

交流電源と前記交流電源から電力が供給される送電側共鳴コイルとを有する送電側装置と、
前記送電側共鳴コイルから電磁界共鳴によって電力が供給される受電側共鳴コイルを有する受電側装置とを備え、
前記送電側共鳴コイルの内側の面積と前記受電側共鳴コイルの内側の面積とが異なる
共鳴型非接触給電システム。
前記送電側共鳴コイルの内側の面積よりも前記受電側共鳴コイルの内側の面積が大きい
請求項１に記載の共鳴型非接触給電システム。
前記送電側共鳴コイルの内側の面積は、前記受電側共鳴コイルの内側の面積に対して１．９６倍以上である
請求項２に記載の共鳴型非接触給電システム。