JP2014045552A - ワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電部の回路構成は給電コイルのみ、受信部の回路構成は受電コイルと受電コンデンサからなる直列共振回路とするワイヤレス電力伝送システムにおいて、高い電力伝送効率を維持出来るワイヤレス電力伝送システムを提供する。
【解決手段】ワイヤレス給電装置１１０は、電源ＶＧから共振周波数ｆ０にて交流電力を給電コイルL１に供給し、共振周波数ｆ０の交流磁場を発生させる。受電コイルＬ２はこの共振周波数ｆ０の交流磁場によって電力を受取り、この受電電力がワイヤレス受電装置１２０の負荷ＲＬで消費される。受電コイルＬ２と負荷ＲＬとのインピーダンス比、給電コイルＬ１の品質係数、受電コイルＬ２の品質係数を正しく設定することにより、高い電力伝送効率を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス電力伝送システムに関するものである。

ケーブル等の機械的接触なしに、電子機器等のバッテリーに対し、外部から電力を供給するワイヤレス電力伝送システムが、需要に基づき開発、実用化されている。

このワイヤレス電力伝送システムは、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、給電側である給電コイルから、受電側である受電コイルへと電力を供給する。すなわち、給電部の給電コイルでの磁束形成により、エアギャップを存しつつ、非接触で近接対応位置せしめられ電子機器等に搭載された受電コイルに、誘導起電力を生成して電力を供給する。

そして、このようなワイヤレス電力伝送システムでは、電力伝送効率の向上，エアギャップの拡大，給電コイルと受電コイルの位置ずれへの対応、小型軽量化等の需要が高まっており、このような各需要に対応すべく、開発が進んでいる。

特表２００９−５０１５１０号公報 特開２００８‐２５９４１９号公報 特開２００５‐２７４０１号公報

特許文献１には、給電部、受電部ともにコイルとコンデンサで構成される共振器構造であり、その共振器のＱ値を１００以上とするワイヤレス電力伝送システムが記載されている。特許文献２には、軌道に沿って走行する走行体に対して、その使用電力を非接触で給電するワイヤレス電力伝送システムが記載されている。このワイヤレス電力伝送システムの給電部の回路構成はコイルのみ、受電部の回路構成はコイルとコンデンサが直列に接続された直列共振回路となっている。また、特許文献３にも給電部と受電部の回路構成が特許文献２と同様のワイヤレス電力伝送システムが記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載の給電部、受電部ともに共振器構造のワイヤレス電力伝送システムは電力伝送効率の良い周波数が２か所存在し、給電コイルと受電コイル間の距離が変化すると電力伝送効率の良い周波数も変化してしまい、高効率での電力伝送の維持が困難であるという問題点があった。

また、特許文献２および３に記載の給電部の回路構成はコイルのみ、受電部の回路構成はコイルとコンデンサが直列に接続された直列共振回路では、給電コイルと受電コイル間の距離変化によって電力伝送効率の良い周波数が変化してしまうという問題は発生しないが、従来技術では給電部の給電コイルと受電部の受電コイルのエアギャップは狭く、これを拡大しても電力伝送効率を維持しようとは考えておらず、もしエアギャップが拡大した場合には、電力伝送効率は急激に悪化してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、給電部の回路構成は給電コイルのみ、受信部の回路構成は受電コイルと受電コンデンサからなる直列共振回路とするワイヤレス電力伝送システムにおいて、受電コイルと負荷とのインピーダンス比、給電コイルの品質係数、受電コイルの品質係数を正しく設定することにより、ある一定の結合係数の範囲における給電コイルと受電コイル間のエアギャップや位置ずれに対しても、高い電力伝送効率を維持出来るワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。

ここで、給電コイルのみとは、給電コイルの他にコンデンサを付加しないことを意味する。また、給電コイルに発生する寄生容量成分は、受電コンデンサと比較して遙かに小さい。その為、給電部は受電部の直列共振回路の共振周波数を共振点とする共振回路を形成しない。

第１の発明は、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を備え、前記ワイヤレス給電装置は、給電コイルと、駆動周波数にて交流電流を前記給電コイルに供給することにより、前記給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる電源回路と、を含み、前記ワイヤレス受電装置は、前記受電コイルと、前記受電コイルと直列共振回路を形成する受電コンデンサと、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した交流電力を消費する負荷と、を含み、前記受電コイルと前記受電コンデンサより決定する共振周波数と２πの積である共振角周波数ω０と前記受電コイルのインダクタンス値Ｌ２の積を、前記負荷ＲＬで割ったω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下である時、前記受電コイルの品質係数が５０以上、前記給電コイルの品質係数が５５以上であることを特徴とするワイヤレス電力伝送システムである。

第２の発明は、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を備え、前記ワイヤレス給電装置は、給電コイルと、駆動周波数にて交流電流を前記給電コイルに供給することにより、前記給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる電源回路と、を含み、前記ワイヤレス受電装置は、前記受電コイルと、前記受電コイルと直列共振回路を形成する受電コンデンサと、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した交流電力を消費する負荷と、を含み、前記受電コイルと前記受電コンデンサより決定する共振周波数と２πの積である共振角周波数ω０と前記受電コイルのインダクタンス値Ｌ２の積を、前記負荷ＲＬで割ったω０＊Ｌ２／ＲＬが１以上、２未満である時、前記受電コイルの品質係数が５０以上、前記給電コイルの品質係数が１０５以上であることを特徴とするワイヤレス電力伝送システムである。

第３の発明は、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を備え、前記ワイヤレス給電装置は、給電コイルと、駆動周波数にて交流電流を前記給電コイルに供給することにより、前記給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる電源回路と、を含み、前記ワイヤレス受電装置は、前記受電コイルと、前記受電コイルと直列共振回路を形成する受電コンデンサと、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した交流電力を消費する負荷と、を含み、前記受電コイルと前記受電コンデンサより決定する共振周波数と２πの積である共振角周波数ω０と前記受電コイルのインダクタンス値Ｌ２の積を、前記負荷ＲＬで割ったω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満である時、前記受電コイルの品質係数が５０以上、前記給電コイルの品質係数が２０５以上であることを特徴とするワイヤレス電力伝送システムである。

第４の発明は、前記受電コイルの品質係数が５０以上、５５未満である場合、前記給電コイルの品質係数は５５以上、前記受電コイルの品質係数が５５以上である場合、前記給電コイルの品質係数は前記受電コイルの品質係数以上、であることを特徴とする第１の発明に記載のワイヤレス電力伝送システムである。

第５の発明は、前記受電コイルの品質係数が５０以上、１０５未満である場合、前記給電コイルの品質係数は１０５以上、前記受電コイルの品質係数が１０５以上である場合、前記給電コイルの品質係数は前記受電コイルの品質係数以上、であることを特徴とする第２の発明に記載のワイヤレス電力伝送システムである。

第６の発明は、前記受電コイルの品質係数が５０以上、２０５未満である場合、前記給電コイルの品質係数は２０５以上、前記受電コイルの品質係数が２０５以上である場合、前記給電コイルの品質係数は前記受電コイルの品質係数以上、であることを特徴とする第３の発明に記載のワイヤレス電力伝送システムである。

本発明によれば、給電部の回路構成は給電コイルのみ、受信部の回路構成は受電コイルと受電コンデンサからなる直列共振回路とするワイヤレス電力伝送システムにおいて、受電コイルと負荷とのインピーダンス比、給電コイルの品質係数、受電コイルの品質係数を正しく設定することにより、ある一定の結合係数の範囲における給電コイルと受電コイル間のエアギャップや位置ずれに対しても、高い電力伝送効率を維持することが可能となる。

本発明に係る第１および第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの原理図である。 給電コイルＬ１の詳細図である。 受電コイルＬ２と負荷ＲＬとのインピーダンス比を表すω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足する、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフである。 受電コイルＬ２と負荷ＲＬとのインピーダンス比を表すω０＊Ｌ２／ＲＬが１以上、２未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足する、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフである。 受電コイルＬ２と負荷ＲＬとのインピーダンス比を表すω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足する、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフである。 受電コイルＬ２と負荷ＲＬとのインピーダンス比を表すω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足し、さらに、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１が受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることを満足する、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフである。 受電コイルＬ２と負荷ＲＬとのインピーダンス比を表すω０＊Ｌ２／ＲＬが１以上、２未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足し、さらに、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１が受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることを満足する、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフである。 受電コイルＬ２と負荷ＲＬとのインピーダンス比を表すω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足し、さらに、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１が受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることを満足する、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフである。

図１は、第１、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の原理図である。第１、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１０とワイヤレス受電装置１２０を含む。ワイヤレス給電装置１１０は電源ＶＧと給電コイルL１を含む。ワイヤレス受電装置１２０は受電直列ＬＣ共振回路１２５と負荷ＲＬを含む。受電直列LC共振回路１２５は受電コイルＬ２と受電コンデンサＣ２を含む。受電コイルＬ２と受電コンデンサＣ２から決定される共振周波数をｆ０とする。共振周波数ｆ０と２πの積より求めることができる共振角周波数をω０とする。給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の結合状態を示す数値を結合係数ｋとする。

ワイヤレス給電装置１１０が、電源ＶＧから共振周波数ｆ０にて交流電力を給電コイルL１に供給すると、給電コイルL１は共振周波数ｆ０の交流磁場を発生させる。受電コイルＬ２はこの共振周波数ｆ０の交流磁場によって電力を受取る。この受電電力がワイヤレス受電装置１２０の負荷ＲＬで消費される。

図２は、給電コイルＬ１の詳細図である。給電コイルＬ１は理想的にはインダクタンス成分のみであるが、現実には端子電極などの給電コイル直列抵抗ｒ１が直列に含まれる。共振角周波数ω０、給電コイルＬ１と給電コイル直列抵抗ｒ１で決定される品質係数はω０＊Ｌ１／ｒ１となる。同様に、共振角周波数ω０、受電コイルＬ２と、受電コイルＬ２に直列に含まれる受電コイル直列抵抗ｒ２で決定される品質係数はω０＊Ｌ２／ｒ２となる。

第１実施形態
図３の斜線部は、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフにおいて、受電コイルＬ２と負荷ＲＬとのインピーダンス比を表すω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下であり、ワイヤレス電力伝送を行うにあたり実用上必要となる、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足する領域を示している。

ここで、共振周波数ｆ０を１００ｋＨｚとすると共振角周波数ω０は６２８３１８．５ｒａｄ／ｓｅｃ、受電コイルＬ２のインダクタンス値を１００μＨ、負荷ＲＬを３１．４Ωとすることによりω０＊Ｌ２／ＲＬは２となる。

給電コイルＬ１のインダクタンス値を１００μＨとし、受電コンデンサＣ２の容量値は受電コイルＬ２のインダクタンス値と共振周波数ｆ０により、０．０２５３μＦとなる。受電コンデンサＣ２は誘電正接ｔａｎδが小さい方が電力伝送効率向上に望ましい。ｔａｎδの小さいコンデンサとしては低誘電率系のコンデンサが挙げられる。

給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の上限値は、そのコイル形状や線材によって決定し、一般的には数千程度である。給電コイルＬ１の給電コイル直列抵抗ｒ１、受電コイルＬ２の受電コイル直列抵抗ｒ２を小さくすることで、給電コイルＬ１、受電コイルＬ２での損失が減り、その結果、電力伝送効率が向上する。また、負荷ＲＬとしては、整流器、ＤＣ／ＤＣコンバータに加え二次電池などが想定され、数Ω〜数百Ωとなる。

ω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足する給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２は、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２を５０以上とすると、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は５５以上となる。

この様に、ω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下の場合、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２を５０以上、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１を５５以上とすることにより、ワイヤレス電力伝送を行うにあたり実用上必要となる結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足することができる。また、結合係数が０．０５から０．５までの電力伝送効率は、結合係数が増加するにつれて単調増加となり、良好な電力伝送効率を得ることができる。

図４の斜線部は、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフにおいて、ω０＊Ｌ２／ＲＬが１以上、２未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足する領域を示している。

ここで、共振周波数ｆ０を１００ｋＨｚとすると共振角周波数ω０は６２８３１８．５ｒａｄ／ｓｅｃ、受電コイルＬ２のインダクタンス値を１００μＨ、負荷ＲＬを６２．８Ωとすることによりω０＊Ｌ２／ＲＬは１となる。

給電コイルＬ１のインダクタンス値を１００μＨとし、受電コンデンサＣ２の容量値は受電コイルＬ２のインダクタンス値と共振周波数ｆ０により、０．０２５３μＦとなる。

ω０＊Ｌ２／ＲＬが１以上、２未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足する給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２は、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２を５０以上とすると、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は１０５以上となる。

この様に、ω０＊Ｌ２／ＲＬが１以上、２未満の場合、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２を５０以上、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１を１０５以上とすることにより、ワイヤレス電力伝送を行うにあたり実用上必要となる結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足することができる。

図５の斜線部は、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフにおいて、ω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足する領域を示している。

ここで、共振周波数ｆ０を１００ｋＨｚとすると共振角周波数ω０は６２８３１８．５ｒａｄ／ｓｅｃ、受電コイルＬ２のインダクタンス値を１００μＨ、負荷ＲＬを１２５．６Ωとすることによりω０＊Ｌ２／ＲＬは０．５となる。

給電コイルＬ１のインダクタンス値を１００μＨとし、受電コンデンサＣ２の容量値は受電コイルＬ２のインダクタンス値と共振周波数ｆ０により、０．０２５３μＦとなる。

ω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足する給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２は、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２を５０以上とすると、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は２０５以上となる。

この様に、ω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満の場合、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２を５０以上、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１を２０５以上とすることにより、ワイヤレス電力伝送を行うにあたり実用上必要となる結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足することができる。

第２実施形態
電力伝送効率を向上させるためには、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２をそれぞれ高めればよい。しかしながら、受電コイルL２はコイルを収める空間や重量などの厳しい制約を受ける。そのため、受電コイルL２の線径を太くしたり、リッツ線の本数を増加させるといったことが難しく、受電コイルＬ２の受電コイル直列抵抗ｒ２を下げるには悪条件が重なり、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２を高めることは困難となる。

それに引き換え、給電コイルＬ１は受電コイルＬ２よりも、コイルを収める空間や重量などの条件が比較的緩く、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１を高めることは相対的に容易である。その為、ワイヤレス電力伝送システムでは、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることが想定される。

図６の斜線部は、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフにおいて、ω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足し、さらに、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１が受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることを満足する領域を示している。

ここで、共振周波数ｆ０を１００ｋＨｚとすると共振角周波数ω０は６２８３１８．５ｒａｄ／ｓｅｃ、受電コイルＬ２のインダクタンス値を１００μＨ、負荷ＲＬを３１．４Ωとすることによりω０＊Ｌ２／ＲＬは２となる。

給電コイルＬ１のインダクタンス値を１００μＨとし、受電コンデンサＣ２の容量値は受電コイルＬ２のインダクタンス値と共振周波数ｆ０により、０．０２５３μＦとなる。

ω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足し、さらに、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１が受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることを満足する、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２は、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が５０以上、５５未満の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は５５以上となり、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が５５以上の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上となる。

この様に、ω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下の場合、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が５０以上、５５未満の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は５５以上、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が５５以上の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１を受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上とすることにより、ワイヤレス電力伝送を行うにあたり実用上必要となる結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足することができる。

図７の斜線部は、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフにおいて、ω０＊Ｌ２／ＲＬが１以上、２未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足し、さらに、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１が受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることを満足する領域を示している。

ここで、共振周波数ｆ０を１００ｋＨｚとすると共振角周波数ω０は６２８３１８．５ｒａｄ／ｓｅｃ、受電コイルＬ２のインダクタンス値を１００μＨ、負荷ＲＬを６２．８Ωとすることによりω０＊Ｌ２／ＲＬは１となる。

給電コイルＬ１のインダクタンス値を１００μＨとし、受電コンデンサＣ２の容量値は受電コイルＬ２のインダクタンス値と共振周波数ｆ０により、０．０２５３μＦとなる。

ω０＊Ｌ２／ＲＬが１以上、２未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足し、さらに、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１が受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることを満足する、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２は、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が５０以上、１０５未満の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は１０５以上となり、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が１０５以上の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上となる。

この様に、ω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上の場合、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が５０以上、１０５未満の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は１０５以上、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が１０５以上の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１を受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上とすることにより、ワイヤレス電力伝送を行うにあたり実用上必要となる結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足することができる。

図８の斜線部は、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルＬ２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２の関係を示すグラフにおいて、ω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足し、さらに、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１が受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることを満足する領域を示している。

ここで、共振周波数ｆ０を１００ｋＨｚとすると共振角周波数ω０は６２８３１８．５ｒａｄ／ｓｅｃ、受電コイルＬ２のインダクタンス値を１００μＨ、負荷ＲＬを１２５．６Ωとすることによりω０＊Ｌ２／ＲＬは０．５となる。

給電コイルＬ１のインダクタンス値を１００μＨとし、受電コンデンサＣ２の容量値は受電コイルＬ２のインダクタンス値と共振周波数ｆ０により、０．０２５３μＦとなる。

ω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満であり、結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足し、さらに、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１が受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上であることを満足する、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１と受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２は、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が５０以上、２０５未満の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は２０５以上となり、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が２０５以上の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上となる。

この様に、ω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満の場合、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が５０以上、２０５未満の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１は２０５以上、受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２が２０５以上の場合、給電コイルＬ１の品質係数ω０＊Ｌ１／ｒ１を受電コイルL２の品質係数ω０＊Ｌ２／ｒ２以上とすることにより、ワイヤレス電力伝送を行うにあたり実用上必要となる結合係数ｋが０．０５での電力伝送効率は２０％以上、結合係数ｋが０．５での電力伝送効率は８０％以上を同時に満足することができる。

以上、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００について説明した。ワイヤレス電力伝送システム１００によれば、受電コイルと負荷とのインピーダンス比、給電コイルの品質係数、受電コイルの品質係数を正しく設定することにより、ある一定の結合係数の範囲における給電コイルと受電コイル間のエアギャップや位置ずれに対しても、高い電力伝送効率を実現することができる。

以上の様に、本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは携帯電話機、ポータブル音楽プレーヤー、ゲーム機、工場内の搬送ロボット、電気自動車等への非接触電力伝送に有用である。

１００ ワイヤレス電力伝送システム
１１０ ワイヤレス給電装置
１２０ ワイヤレス受電装置
１２５ 受電直列ＬＣ共振回路
ＶＧ 電源
Ｌ１ 給電コイル
Ｌ２ 受電コイル
Ｃ２ 受電コンデンサ
ＲＬ 負荷
ｒ１ 給電コイル直列抵抗
ｒ２ 受電コイル直列抵抗

Claims (6)

1. ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を備え、
   前記ワイヤレス給電装置は、給電コイルと、駆動周波数にて交流電流を前記給電コイルに供給することにより、前記給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる電源回路と、を含み、
   前記ワイヤレス受電装置は、前記受電コイルと、前記受電コイルと直列共振回路を形成する受電コンデンサと、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した交流電力を消費する負荷と、を含み、
   前記受電コイルと前記受電コンデンサより決定する共振周波数と２πの積である共振角周波数ω０と前記受電コイルのインダクタンス値Ｌ２の積を、前記負荷ＲＬで割ったω０＊Ｌ２／ＲＬが２以上、１２以下である場合、前記受電コイルの品質係数が５０以上、前記給電コイルの品質係数が５５以上であることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
2. ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を備え、
   前記ワイヤレス給電装置は、給電コイルと、駆動周波数にて交流電流を前記給電コイルに供給することにより、前記給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる電源回路と、を含み、
   前記ワイヤレス受電装置は、前記受電コイルと、前記受電コイルと直列共振回路を形成する受電コンデンサと、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した交流電力を消費する負荷と、を含み、
   前記受電コイルと前記受電コンデンサより決定する共振周波数と２πの積である共振角周波数ω０と前記受電コイルのインダクタンス値Ｌ２の積を、前記負荷ＲＬで割ったω０＊Ｌ２／ＲＬが１以上、２未満である場合、前記受電コイルの品質係数が５０以上、前記給電コイルの品質係数が１０５以上であることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
3. ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を備え、
   前記ワイヤレス給電装置は、給電コイルと、駆動周波数にて交流電流を前記給電コイルに供給することにより、前記給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる電源回路と、を含み、
   前記ワイヤレス受電装置は、前記受電コイルと、前記受電コイルと直列共振回路を形成する受電コンデンサと、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した交流電力を消費する負荷と、を含み、
   前記受電コイルと前記受電コンデンサより決定する共振周波数と２πの積である共振角周波数ω０と前記受電コイルのインダクタンス値Ｌ２の積を、前記負荷ＲＬで割ったω０＊Ｌ２／ＲＬが０．５以上、１未満である場合、前記受電コイルの品質係数が５０以上、前記給電コイルの品質係数が２０５以上であることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
4. 前記受電コイルの品質係数が５０以上、５５未満である場合、前記給電コイルの品質係数は５５以上、前記受電コイルの品質係数が５５以上である場合、前記給電コイルの品質係数は前記受電コイルの品質係数以上、であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス電力伝送システム。
5. 前記受電コイルの品質係数が５０以上、１０５未満である場合、前記給電コイルの品質係数は１０５以上、前記受電コイルの品質係数が１０５以上である場合、前記給電コイルの品質係数は前記受電コイルの品質係数以上、であることを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス電力伝送システム。
6. 前記受電コイルの品質係数が５０以上、２０５未満である場合、前記給電コイルの品質係数は２０５以上、前記受電コイルの品質係数が２０５以上である場合、前記給電コイルの品質係数は前記受電コイルの品質係数以上、であることを特徴とする請求項３に記載のワイヤレス電力伝送システム。

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