JP2013247718A

JP2013247718A - 無線電力伝送装置

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Publication number: JP2013247718A
Application number: JP2012118058A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ishizaki; 俊雄石崎; Tetsuya Ishida; 哲也石田; Ikuo Awai; 郁雄粟井
Original assignee: RYUTECH CO Ltd; Ryukoku University
Current assignee: RYUTECH CO Ltd; Ryukoku University
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2013-12-09
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: JP6024015B2

Abstract

【課題】受電側共振器の向きの回転角度を変化させても伝送効率の劣化を大幅に低減し得る無線電力伝送装置を提供する。
【解決手段】この無線電力伝送装置１は、複数の送電側共振器２ｘ、２ｙと、送電側共振器２ｘ、２ｙより小型で移動可能な受電側共振器３と、複数の送電側共振器２ｘ、２ｙの励振を制御する制御器４と、を具備し、送電側共振器２ｘ、２ｙと受電側共振器３の共振周波数を一致させ、送電側共振器２ｘ、２ｙは互いに略直交するように配置し、送電側共振器２ｘ、２ｙは、９０°の位相差をつけて励振されて受電側共振器３に電力を伝送する。
【選択図】図２

Description

本発明は、非放射電磁界結合を用いて無線電力伝送を行う共振型結合方式の無線電力伝送装置に関する。

無線電力伝送には、磁気誘導方式、共振型結合方式、放射電磁波方式などがあり、この中でも非放射電磁界結合を用いて行われる共振型結合方式は、高効率で、かつ数メートル程度の中距離電力伝送が可能なため、近年、非常に注目を集めている。

図９は共振型結合方式の無線電力伝送装置の基本の構成を示す図である。無線電力伝送装置１０１では、高周波電源を含む制御器１０４から供給される電力は、結合ループなどのインピーダンス整合手段１４３を介して送電側共振器１０２に供給され、伝送距離ｄに応じた結合係数ｋで電磁界結合している受電側共振器１０３に伝送される。その後、同じく結合ループなどのインピーダンス整合手段１５１を介して負荷１５２に電力が供給される。この際の最大電力伝送効率は、共振器間の結合係数ｋと共振器の良さを示す無負荷Ｑ値の積によって決まることが知られている。そのため、無負荷Ｑ値の高い共振器構造や、遠方まで結合係数ｋが大きくなるような構成が詳しく研究されてきた。この場合の結合係数ｋは、送受電共振器相互間の相対的な位置や向きに依存する関数となる。

したがって、無線電力伝送にして伝送線を無くしたにも拘らず、従来の無線電力伝送装置は、電力伝送に適した送受電共振器相互間の相対的な位置や向きはかなり限定的なものであり、それから離れると伝送効率が大きく劣化し易いものであった。

この対策のため、送電側共振器を複数設けて、受電側共振器の位置或いは向きの変化による伝送効率の劣化を低減する無線電力伝送装置がこれまで提案されている。特許文献１は、車両を充電する無線電力伝送装置であり、車両の停止位置による受電側共振器の位置に応じて、複数並列に設けた送電側共振器のうち伝送効率が高い送電側共振器を選択する技術が記載されている。非特許文献１は、図１０に示すように、受電側共振器１０３の向きに応じて、２個並列に設けた送電側共振器１０２、１０２の給電位相差を制御器１０４’によって同相と逆相とに切り替える技術の無線電力伝送装置１０１’が記載されている。符号１４３はインピーダンス整合手段、符号１５１はインピーダンス整合手段、符号１５２は負荷である。より詳細には、受電側共振器１０３の向きの回転角度θが−６０°〜６０°のときは同相、−９０°〜−６０°と６０°〜９０°のときは逆相としている。

特開２０１０−１８３８１２号公報

小川健一郎、外５名、"磁気共鳴型無線電力伝送における送電コイルアレーの効率測定"、２０１０年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、電子情報通信学会、２０１０年、Ｂ−１−２、ｐ．２

しかしながら、受電側共振器の向きの変化については、特許文献１に記載の技術では対応できない。また、非特許文献１に記載の技術においては、特定の位置において受電側共振器の向きの回転角度を変えた実験値が開示されているのみである。したがって、無線電力伝送というメリットを十分に享受できるように、特に受電側共振器の向きの変化による伝送効率の劣化を低減する対策については、開発の余地は大きい。

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、受電側共振器の向きの回転角度を変化させても伝送効率の劣化を大幅に低減し得る無線電力伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の無線電力伝送装置は、複数の送電側共振器と、前記送電側共振器より小型で移動可能な少なくとも１個の受電側共振器と、前記複数の送電側共振器の励振を制御する制御器と、を具備し、前記送電側共振器と前記受電側共振器の共振周波数を一致させ、前記送電側共振器の内少なくとも２個は互いに略直交するように配置し、前記略直交するように配置された送電側共振器は、９０°の位相差をつけて励振されて前記受電側共振器に電力を伝送することを特徴とする。

請求項２に記載の無線電力伝送装置は、請求項１に記載の無線電力伝送装置において、前記制御器は、１台の高周波電源を有しており、該高周波電源の出力信号を９０°ハイブリッド分配器にて分配した分配信号で前記略直交するように配置された送電側共振器を励振することを特徴とする。

請求項３に記載の無線電力伝送装置は、請求項１に記載の無線電力伝送装置において、前記制御器は、２台の高周波電源を有しており、該２台の高周波電源を９０°位相差を持つ基準信号で位相同期を掛け、それぞれの出力信号で前記略直交するように配置された送電側共振器を励振することを特徴とする。

本発明によれば、互いに略直交するように配置された送電側共振器を９０°の位相差をつけて励振することで、磁界ベクトルが回転するので、受電側共振器の向きの回転角度を変化させても伝送効率の劣化を大幅に低減し得る無線電力伝送装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成を模式的に示す斜視図である。同上の無線電力伝送装置の構成を模式的に示す平面図である。同上の無線電力伝送装置の２個の送電側共振器を励振する信号の波形図である。同上の無線電力伝送装置の制御器の変形例を示すブロック図である。送電側共振器が１個の場合の受電を説明する平面図である。送電側共振器が１個の場合の受電の特性を示す特性図である。同上の無線電力伝送装置の受電の特性を示す特性図である。同上の無線電力伝送装置の磁界ベクトルを時系列に示す平面図である。従来の無線電力伝送装置の構成を模式的に示す平面図である。従来の無線電力伝送装置の別の構成を模式的に示す平面図である。

以下、本発明を実施するための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線電力伝送装置１は、共振型結合方式のものであって、図１及び図２に示すように、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙを具備し、それらを互いに略直交するように配置している。また、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙよりも小型で移動可能な１個の受電側共振器３を具備している。２個の送電側共振器２ｘ、２ｙと受電側共振器３は、非放射電磁界結合し、それらの共振周波数は一致させている。また、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙの励振を制御する制御器４を具備している。２個の送電側共振器２ｘ、２ｙは、制御器４によって９０°の位相差をつけて励振されて受電側共振器３に電力を伝送する。

送電側共振器２ｘ、２ｙは、その形状が限定されるものではないが、例えば、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるコイルとすることが可能である。

制御器４は、詳細には、１台の高周波電源４１と、９０°ハイブリッド分配器４２と、２個の結合ループ４３ｘ、４３ｙと、を有して構成されている。９０°ハイブリッド分配器４２は、図３に示すように、高周波電源４１の出力信号を９０°の位相差をつけて分配して、その２個の分配信号Ｂｘ、Ｂｙを結合ループ４３ｘ、４３ｙに出力する。結合ループ４３ｘ、４３ｙはそれぞれ、送電側共振器２ｘ、２ｙに電磁界結合しており、インピーダンスの整合を行う。送電側共振器２ｘ、２ｙは、結合ループ４３ｘ、４３ｙを介して、分配信号Ｂｘ、Ｂｙによって励振される。

なお、制御器４は、図４に示すように、２台の高周波電源４１’を有するようにし、これら２台の高周波電源４１’を９０°位相差を持つ基準信号Ｒｘ、Ｒｙで位相同期を掛け、それぞれの出力信号Ｂｘ、Ｂｙで、結合ループ４３ｘ、４３ｙを介して、送電側共振器２ｘ、２ｙを励振してもよい。また、結合ループ４３ｘ、４３ｙは、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。

このように、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙの励振を制御する制御器４は、構成が簡素なものになっている。すなわち、上述した非特許文献１のような受電側共振器の向きの回転角度θを検出する装置や送電側共振器の励振信号の位相を切り替える装置などは、必要としていない。

受電側共振器３は、その形状が限定されるものではないが、例えば、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるコイルとすることが可能である。また、直径を小さくするために、電気導線を送電側共振器２ｘ、２ｙのコイルよりも密に巻いたり、コイルの両端間にコンデンサを接続したりすることができる。

受電側共振器３には、図１に示すように、負荷回路５が結合している（図２では負荷回路５は省略している）。負荷回路５は、詳細には、結合ループ５１と、負荷５２と、を有して構成されている。結合ループ５１は、受電側共振器３に電磁界結合しており、インピーダンスの整合を行う。負荷５２には、結合ループ５１を介して、受電側共振器３から電力が供給される。負荷５２は、通信端末機などの機器の所要の機能を発揮するための回路である。なお、結合ループ５１は、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。

このような構成により、無線電力伝送装置１では、制御器４によって励振された送電側共振器２ｘ、２ｙは、周囲の領域に非放射電磁界を発生させる。この領域に配置された受電側共振器３は、共振に基づく高い結合係数ｋによる結合が発生し、受電側共振器３に電力が伝わる。そして、その電力は負荷５２に供給される。

次に、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙと受電側共振器３との間における電力の伝送効率について説明する。なお、送電共振器２ｘ、２ｙと受電共振器３との間の結合は、電界と磁界の両方で行われ、送電共振器２ｘ、２ｙに対向する受電共振器３のコイルの巻き方向などによって電界と磁界の２つの結合度の和もしくは差になる。しかし、一般的に、電界結合は共振器同士の距離が離れると急速に減衰するため、主に磁界結合によって電力伝送が行われている。したがって、以下の説明では、磁界結合を中心にして述べる。

まず、参考のために送電側共振器を１個にして、図５に示すように、送電側共振器２ｘに対して受電側共振器３が傾いたときの結合の変化を説明する。磁界ベクトルは、送電側共振器２ｘから垂直に発生する。図６は、受電側共振器３の向きの回転角度θに対する結合係数ｋの変化の様子を示すものである。結合係数ｋは、正規化して示している。曲線ａ、ｂ、ｃはそれぞれ、送電側共振器２ｘと受電側共振器３の間の距離ｄが７ｃｍ、８ｃｍ、９ｃｍの場合の実測値である。送電側共振器２ｘの直径は２３ｃｍ、受電側共振器３の直径は３．１ｃｍとしている。

結合係数ｋは正対時（受電側共振器３の向きの回転角度θが０°のとき）が最大となり、そのときの値で規格化してグラフにするとコサインカーブで近似されることがわかる。これは、送電側共振器２ｘから出射されて平行に分布する磁界ベクトルを受電側共振器３が投影面積に応じて受電していることを示している。したがって、受電側共振器３の傾き、すなわち向きの回転角度θが大きく、受電側共振器３が磁界ベクトルと平行（受電側共振器３の向きの回転角度θが９０°）になると、受電することが難しくなってくることが分かる。

次に、無線電力伝送装置１における２個の送電側共振器２ｘ、２ｙの合成した磁界ベクトルについて説明する。

図７は、受電側共振器３の向きの回転角度θ（図２参照）に対する結合係数ｋの変化の様子を示すものである。結合係数ｋは、正規化して示している。曲線ｓは、送電側共振器２ｘと受電側共振器３の間の距離ｄ及び送電側共振器２ｙと受電側共振器３の間の距離ｄ’が２６ｃｍ、送電側共振器２ｘ、２ｙの直径が２３ｃｍ、受電側共振器３の直径が３．１ｃｍの場合の実測値である。受電側共振器３の向きの回転角度θを変化させても、結合係数ｋの変化が非常に少ないことが分かる。なお、図中の破線は、参考のためのコサインカーブである。

９０°の位相差をつけて励振される２個の送電側共振器２ｘ、２ｙは、図８に示すように、磁界ベクトルが回転する。図８の（ａ）〜（ｈ）は、磁界ベクトルの変化の様子を時系列に示すものである。（ａ）は、送電側共振器２ｘを励振する分配信号Ｂｘの位相が０°のとき（図３参照）、（ｂ）〜（ｈ）はそれぞれ、位相が４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°のときの磁界ベクトル（矢印で示す）の様子である。図における２個の送電側共振器２ｘ、２ｙの中心線の交点付近（破線の枠で示す）に注目すると、磁界ベクトルは、（ａ）では斜め左上、（ｂ）では斜め右上、（ｃ）、（ｄ）ではほぼ右、（ｅ）では斜め右下、（ｆ）では斜め左下、（ｇ）、（ｈ）ではほほ左、に向いている。また、注目した２個の送電側共振器２ｘ、２ｙの中心線の交点付近の周囲でも、広い範囲で磁界ベクトルが回転していることが分かる。

このように磁界ベクトルが回転すると、受電側共振器３の向きの回転角度θを変化させても、結合係数ｋの変化が非常に少なく、伝送効率の劣化が非常に少なくなる。したがって、無線電力伝送装置１は、受電側共振器３の向きの回転角度θを変化させても、伝送効率の劣化を大幅に低減し得るものとなり、受電側共振器３は良好に受電できるようになる。

以上、本発明の実施形態に係る無線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、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙ以外にも送電側共振器を設けることは可能である。また、１個の受電側共振器３以外にも受電側共振器を設けることは可能である。

１無線電力伝送装置
２ｘ、２ｙ送電側共振器
３受電側共振器
４制御器
４１高周波電源
４２９０°ハイブリッド分配器
４３ｘ、４３ｙ結合ループ（インピーダンス整合手段）
５負荷回路
５１結合ループ（インピーダンス整合手段）
５２負荷

Claims

複数の送電側共振器と、
前記送電側共振器より小型で移動可能な少なくとも１個の受電側共振器と、
前記複数の送電側共振器の励振を制御する制御器と、を具備し、
前記送電側共振器と前記受電側共振器の共振周波数を一致させ、
前記送電側共振器の内少なくとも２個は互いに略直交するように配置し、
前記略直交するように配置された送電側共振器は、９０°の位相差をつけて励振されて前記受電側共振器に電力を伝送することを特徴とする無線電力伝送装置。
前記制御器は、１台の高周波電源を有しており、該高周波電源の出力信号を９０°ハイブリッド分配器にて分配した分配信号で前記略直交するように配置された送電側共振器を励振することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
前記制御器は、２台の高周波電源を有しており、該２台の高周波電源を９０°位相差を持つ基準信号で位相同期を掛け、それぞれの出力信号で前記略直交するように配置された送電側共振器を励振することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。