JP2014176139A - 共振子及び無線電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率の劣化を抑制する共振子及び無線電力伝送装置を提供する。
【解決手段】本実施形態によれば、共振子は、磁性体コアと、前記磁性体コアに巻きつけられた巻き線と、前記巻き線に流れる電流によって発生する磁界と鎖交するように配置され、磁束鎖交量が調整される寄生ループ素子と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、共振子及び無線電力伝送装置に関する。

送電コイルと受電コイル間の相互インダクタンスで無線により非接触で電力を伝送する無線電力伝送システムが知られている。無線電力伝送システムでは、コイル間距離やコイルの位置ずれにより、自己インダクタンス値が変化して共振周波数が変化し、電力伝送効率が劣化するという問題があった。

特開２０１１−５０１２７号公報

本発明は、伝送効率の劣化を抑制する共振子及び無線電力伝送装置を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、共振子は、磁性体コアと、前記磁性体コアに巻きつけられた巻き線と、前記巻き線に流れる電流によって発生する磁界と鎖交するように配置され、磁束鎖交量が調整される寄生ループ素子と、を備える。

本実施形態に係る送電装置の概略構成図。 本実施形態に係る共振子の斜視図。 寄生ループ素子が配置されたコイルの等価回路図。 寄生ループ素子が配置されたコイルの等価回路図。 磁界分布の一例を示す図。 寄生ループ素子の配置例を示す図。 寄生ループ素子の配置場所とインダクタンス値の変化との関係を示すグラフ。 変形例による共振子の斜視図。 変形例による共振子の側面図。 本実施形態に係る受電装置の概略構成図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る送電装置の概略構成を示す。送電装置１は、共振子１０と、高周波電源回路２０と、制御部３０と、通信部４０とを備えている。送電装置１は、共振子１０と、図示しない受電装置の共振子との相互結合により、受電装置に対して電力を伝送する。また、送電装置１は、例えば、送電装置１の発熱を監視する温度センサ、電磁波レーダや超音波レーダにより異物を監視するセンサ、受電装置の共振子の位置を検出するためのＲＦＩＤなどのセンサなどを備えていてもよい。

共振子１０は、コイル１２、キャパシタ１４、及び寄生ループ素子１６を有する。キャパシタ１４は寄生キャパシタでもよい。寄生ループ素子１６については後述する。共振子１０は、所定の共振周波数（＝ω_０）を持つ。共振周波数（＝ω_０）は、コイル１２のインダクタンス（＝Ｌ_１）及びキャパシタ１４のキャパシタンス（＝Ｃ_１）によって決まる。

高周波電源回路２０は、共振子１０に交流電力を供給する。交流電力は配線を介して供給してもよいし、無線で供給してもよい。

通信部４０は、受電装置の通信部（図示せず）と通信を行うことができ、受電装置の受電状況や必要電力量を受信したり、送電装置１の送電状況を送信したりする。

制御部３０は、送電電力監視部３２、共振周波数監視部３４、寄生ループ制御部３６、及び結合係数監視部３８を有している。送電電力監視部３２は、送電電流、電圧、電力を検出するための電流計や電圧計などを有している。制御部３０は、送電電力監視部３２が検出した送電電流、電圧、電力や、通信部４０を介して受信した受電装置の受電電流、電圧、電力に基づいて、高周波電源回路２０の出力を制御する。

共振周波数監視部３４は、共振子１０が共振状態になったか否かを判定する。例えば、キャパシタとコイルを直列に接続した直列共振回路において、共振周波数ではインピーダンスが最小となり、電流が最大となる。そのため、高周波電源回路２０の出力周波数を掃引し、共振子１０の入力端の電流値が最大となる周波数が共振周波数であると判断できる。共振周波数監視部３４は、共振子１０の入力端の電流値の変化に基づいて、共振子１０が共振状態にあるか否かを判定する。

結合係数監視部３８は、共振子１０と、受電装置の共振子との結合係数を算出する。例えば、結合係数監視部３８は、受電装置側の出力端を開放したときのコイル１２のインダクタンス値Ｌ_ｏｐｅｎと、受電装置側の出力端を短絡したときのコイル１２のインダクタンス値Ｌ_{ｓｈｏｒｔ}とを測定し、以下の数式１を用いて結合係数ｋを算出する。

寄生ループ制御部３６は、送電電力監視部３２、共振周波数監視部３４、及び結合係数監視部３８の監視結果や、通信部４０を介して受信した受電装置の受電状況に基づいて、共振子１０の共振周波数（共振状態）、インダクタンス値、又はＬＣ積が所望の値になるように、寄生ループ素子１６を制御する。寄生ループ素子１６の制御については後述する。

図２は共振子１０に含まれるコイル１２及び寄生ループ素子１６の斜視図である。図２に示すように、コイル１２は磁性体コア１２Ａ、及び磁性体コア１２Ａに巻きつけられた巻き線部１２Ｂを備えている。磁性体コア１２Ａには、例えばフェライトを用いることができる。また、巻き線部１２Ｂ及び寄生ループ素子１６には、例えば銅線を用いることができる。

寄生ループ素子１６は、磁性体コア１２Ａの表面に配置されている。例えば、寄生ループ素子１６は、図２に示すように、磁性体コア１２Ａの周縁部、かつ巻き線部１２Ｂの近傍に配置される。寄生ループ素子１６は、図示しないスイッチを含んでおり、スイッチのオン時はループを形成し、スイッチのオフ時はループが開放される。すなわち、スイッチのオフ／オンにより、ループが開閉される。寄生ループ制御部３６（図１参照）は、このスイッチのオンオフを制御する。スイッチは機械的なスイッチでもよいし、半導体スイッチ等の電気的なスイッチでもよい。

図示しない受電装置は、例えば、送電装置１の共振子１０との相互インダクタンスにより電力を受電する受電側共振子と、受電側共振子を介して受電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、負荷の動作電圧に基づいて昇圧及び／又は降圧を行う昇降圧回路と、受電装置の各部を制御する制御部と、通信部とを備えている。通信部は、送電装置１の通信部４０と通信を行うことができ、受電装置の受電状況を送信したり、送電装置１の送電状況を受信したりする。

受電側共振子は、コイル及びキャパシタを含み、送電装置１の共振子１０と同じ共振周波数（＝ω_０）を持つ。共振周波数（＝ω_０）は、受電側共振子のコイルのインダクタンス（＝Ｌ_２）及びキャパシタのキャパシタンス（＝Ｃ_２）によって決まる。すなわち、Ｃ_２Ｌ_２＝Ｃ_１Ｌ_１となる。受電側コイルは、相互結合を伴う結合を通じて送電側コイル１２から交流電力を受信する。

受電側共振子は、配線を介して整流器に交流電力を供給してもよいし、無線で交流電力を供給してもよい。受電側共振子からの交流電力を、昇降圧回路で昇降圧してから、整流器に接続してもよいし、整流器で直流に変換した後、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇降圧してもよい。

整流器又は昇降圧回路から直流電力が供給される負荷は、負荷回路やバッテリであり、供給された直流電力を直ちに消費したり、充電したりする。

次に、図２に示すような寄生ループ素子１６を配置することによるコイル１２の自己インダクタンス値の変化について説明する。

図３は、寄生ループ素子１６が配置されたコイル１２の等価回路を示している。ここで、コイル１２の自己インダクタンス値をＬ_１、寄生ループ素子１６の自己インダクタンス値をＬ_Ｌとする。また、コイル１２と寄生ループ素子１６が磁気的に結合することによって生じる相互インダクタンスをＭとする。

寄生ループ素子１６が配置されている場合、コイル１２のインピーダンスＺは以下の数式２で示される。

また、Ｍは以下の数式３で示される。ｋはコイル１２と寄生ループ素子１６の結合係数である。

数式２及び数式３より、Ｚは以下の数式４で示される。

従って、寄生ループ素子１６を考慮したコイル１２の自己インダクタンス値は以下の数式５のようになる。

数式５より、寄生ループ素子１６のループの開閉により、コイル１２の自己インダクタンス値を変化させられることが分かる。また、結合係数ｋを大きくすれば、コイル１２の自己インダクタンス値の変化量を大きくできることが分かる。

なお、寄生ループ素子１６に流れる電流が大きいと、寄生ループ素子１６やスイッチで損失が発生し、効率が劣化する。そのため、寄生ループ素子１６に流れる電流を小さくすることが好ましい。

図４に示すように、コイル１２に流れる電流をＩ_１、寄生ループ素子１６に流れる電流をＩ_Ｌとすると、以下の数式が成り立つ。

寄生ループ素子１６に流れる電流Ｉ_Ｌは、コイル１２に流れる電流Ｉ_１のＭ／Ｌ_Ｌ倍となる。従って、Ｌ_Ｌを大きくすると寄生ループ素子１６に流れる電流を小さくすることができる。例えば、寄生ループ素子１６の巻き数をＮ回巻きにすると、１回巻きの場合と比較して、流れる電流を１／Ｎに低減することができる。

図５（ａ）は、寄生ループ素子１６が無い場合、すなわちスイッチをオフ状態にしてループが開いている場合の磁界分布の一例を示している。また、図５（ｂ）は、寄生ループ素子１６がある場合、すなわちスイッチをオン状態にしてループが閉じている場合の磁界分布の一例を示している。図５（ｂ）では説明の便宜上、寄生ループ素子１６をコイル１２の上方に図示している。

図５（ｂ）に示すように、寄生ループ素子１６を、漏れ磁束が鎖交するように配置することで、寄生ループ素子１６内で磁界が打ち消される。このことにより、コイル１２の漏れインダクタンス値（自己インダクタンス値）が減少する。

例えば、コイル１２と受電側コイル２００とが所定位置にある場合は、スイッチをオフ状態にして寄生ループ素子１６のループを開けておく。そして、コイル１２と受電側コイル２００とが近接したり位置ずれしたりして、インダクタンス値が増え共振周波数が変動した場合に、スイッチをオン状態にして寄生ループ素子１６のループを閉じる。これにより、コイル１２の自己インダクタンス値を減少させ、共振状態を保つことができる。

なお、寄生ループ制御部３６は、共振周波数監視部３４が監視している共振周波数のずれ（共振状態の変化）に基づいて寄生ループ素子１６の開閉制御を行ってもよいし、結合係数とインダクタンス値とのテーブルを別途準備しておき、結合係数監視部３８の監視結果からインダクタンス値の変動を検出して寄生ループ素子１６の開閉制御を行ってもよい。

このように、本実施形態によれば、寄生ループ素子１６の開閉を切り替え、寄生ループ素子１６の磁束鎖交量を調整することで、コイル１２の自己インダクタンス値を変化させることができる。これにより、送受コイル間の距離や位置ずれによって共振周波数（共振状態）が変動した場合に、コイル１２のインダクタンス値を変化させることによって共振状態を保ち、伝送効率の劣化を抑制することができる。

上記実施形態では、寄生ループ素子１６のループの開閉を切り替えるスイッチを設け、このスイッチのオンオフにより磁束鎖交量を調整していたが、磁性体コア１２Ａの表面上を移動可能となるように寄生ループ素子１６を設け、寄生ループ素子１６の位置を変えることで磁束鎖交量を調整してもよい。例えば、寄生ループ素子１６を図６に示す位置Ｐ１〜Ｐ６に配置した場合、インダクタンス値の変化量は図７に示すようになる。磁性体コア１２Ａの周縁部や巻き線の近傍は磁束が集中するため、巻き線部１２Ｂに近い位置の方が巻き線部１２Ｂに遠い位置よりもインダクタンス値の変化量が大きいことがわかる。また、磁性体コア１２Ａの周縁部に近い位置の方が遠い位置よりもインダクタンス値の変化量が大きいことがわかる。

従って、例えば、寄生ループ素子１６の移動機構を設け、寄生ループ素子１６が位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を移動可能となるようにする。すなわち、巻き線部１２Ｂに沿って磁性体コア１２Ａの中心部と周縁部（側部）との間を移動可能となるようにする。寄生ループ制御部３６は、共振周波数のずれ等に基づいて寄生ループ素子１６の位置を変えてインダクタンス値を変化させることで、共振状態を保つことができる。

同様に、寄生ループ素子１６が位置Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を移動可能となるようにしてもよい。すなわち、磁性体コア１２Ａの周縁部に沿って、磁性体コア１２Ａの中央部と角部との間を移動可能となるようにしてもよい。

あるいはまた、ループの開閉を切り替えるスイッチを含む寄生ループ素子１６を、磁性体コア１２Ａの表面上に複数設け、寄生ループ制御部３６が各寄生ループ素子１６の開閉を制御してもよい。

複数の寄生ループ素子１６は全て同じサイズでもよいし、異なるサイズでもよい。寄生ループ素子１６のサイズを大きくすることで、インダクタンス値の変化量を大きくすることができる。

また、図８に示すように、寄生ループ素子１６を、磁性体コア１２Ａの表面上であって、巻き線部１２Ｂの近傍に、磁性体コア１２Ａの表面に対し垂直となるように配置し、かつ寄生ループ素子１６が磁性体コア１２Ａの表面への垂線を軸に回転するようにしてもよい。寄生ループ素子１６の回転角によって磁束鎖交量が変化し、インダクタンス値を変化させて、共振状態を保つことができる。寄生ループ素子１６の回転は、例えば図示しないモータを用いて行うことができる。

また、図９に示すように、寄生ループ素子１６を磁性体コア１２Ａの表面に対し斜めに配置し、かつ寄生ループ素子１６の傾斜角（寄生ループ素子１６と磁性体コア１２Ａの表面とがなす角度）を変えられるようにしてもよい。寄生ループ素子１６の傾斜角によって磁束鎖交量が変化し、インダクタンス値を変化させて、共振状態を保つことができる。寄生ループ素子１６の傾斜角の調整は、例えば図示しないモータを用いて行うことができる。

図８、図９に示す構成において、巻き線部１２Ｂに近い位置、又は磁性体コア１２Ａの周縁部において、寄生ループ素子１６を回転させたり傾斜させたりすることで、巻き線部１２Ｂから離れ、かつ、磁性体コア１２Ａの周縁から離れた位置で寄生ループ素子１６を回転させたり傾斜させたりするよりも磁束鎖交量の変化を大きくすることができる。また、寄生ループ素子１６は、磁性体コア１２Ａの表面上の磁性体コア１２Ａに近い位置に配置する方が遠い位置に配置するよりも磁束鎖交量の変化を大きくすることができる。

上記実施形態では、送電装置１の共振子１０に寄生ループ素子１６を設ける例について説明したが、図１０に示すように、受電装置１００の共振子１１０に寄生ループ素子１１６を設けてもよい。受電装置１００は、共振子１１０と、負荷１２０と、制御部１３０と、通信部１４０とを備えている。受電装置１００は、共振子１１０と、送電装置１の共振子１０（図１参照）との相互結合により、送電装置１から電力が伝送される。

共振子１１０は、コイル１１２、キャパシタ１１４、及び寄生ループ素子１１６を有する。キャパシタ１１４は寄生キャパシタでもよい。負荷１２０は、共振子１１０から電力が供給される。

通信部１４０は、送電装置１の通信部４０（図１参照）と通信を行うことができ、送電装置１の送電状況を受信したり、受電装置１００の受電状況や必要電力量を送信したりする。

制御部１３０は、受電電力監視部１３２、共振周波数監視部１３４、及び寄生ループ制御部１３６を有している。受電電力監視部１３２は、受電電流、電圧、電力を検出するための電流計や電圧計などを有している。共振周波数監視部１３４は、共振子１１０の出力端の電流値の変化に基づいて、共振子１１０が共振状態にあるか否かを判定する。

寄生ループ制御部１３６は、受電電力監視部１３２及び共振周波数監視部１３４の監視結果や、通信部１４０を介して受信した送電装置１の送電状況に基づいて、共振子１１０の共振周波数（共振状態）、インダクタンス値、又はＬＣ積が所望の値になるように、寄生ループ素子１１６を制御する。寄生ループ素子１１６の制御方法は、上述した寄生ループ素子１６の制御方法と同様である。

寄生ループ素子１１６の磁束鎖交量を調整することで、コイル１１２の自己インダクタンス値を変化させることができる。これにより、送受コイル間の距離や位置ずれによって共振周波数（共振状態）が変動した場合に、コイル１１２のインダクタンス値を変化させることによって共振状態を保ち、伝送効率の劣化を抑制することができる。

上記実施形態では、スイッチのオフ／オンによりループが開閉したり、回転したり、傾斜角が変化したりする寄生ループ素子１６、１１６について説明したが、ループの開閉等のない固定された寄生ループ素子を磁性体コアの近傍に配置してもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 送電装置
１０ 共振子
１２ コイル
１２Ａ 磁性体コア
１２Ｂ 巻き線部
１４ キャパシタ
１６ 寄生ループ素子
２０ 高周波電源回路
３０ 制御部
３２ 送電電力監視部
３４ 共振周波数監視部
３６ 寄生ループ制御部
３８ 結合係数監視部
４０ 通信部

Claims (18)

1. 磁性体コアと、
   前記磁性体コアに巻きつけられた巻き線と、
   前記巻き線に流れる電流によって発生する磁界と鎖交するように配置され、磁束鎖交量が調整される寄生ループ素子と、
   を備える共振子。
2. 前記寄生ループ素子のループの開閉を切り替えるスイッチをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の共振子。
3. 前記寄生ループ素子は前記磁性体コアの表面上に配置され、前記磁性体コアの表面の垂線を軸に回転することを特徴とする請求項１に記載の共振子。
4. 前記寄生ループ素子は、前記磁性体コアの表面に対して斜めに配置され、前記表面に対する傾斜角が可変であることを特徴とする請求項１に記載の共振子。
5. 前記寄生ループ素子は複数設けられ、
   各寄生ループ素子は、ループの開閉を切り替えるスイッチを有することを特徴とする請求項１に記載の共振子。
6. 前記複数の寄生ループ素子には、第１サイズの寄生ループ素子と、前記第１サイズとは異なる第２サイズの寄生ループ素子とが含まれることを特徴とする請求項５に記載の共振子。
7. 前記寄生ループ素子は、前記磁性体コアの表面上を移動することを特徴とする請求項１に記載の共振子。
8. 前記寄生ループ素子は、前記巻き線部に沿って、前記磁性体コアの中心部と側部との間を移動することを特徴とする請求項７に記載の共振子。
9. 前記寄生ループ素子は、前記磁性体コアの周縁部に沿って移動することを特徴とする請求項７に記載の共振子。
10. 高周波電源からの電力を、受電装置に対して相互インダクタンスにより無線で送電する共振子と、
    前記受電装置と送電状況又は受電状況を通信する通信部と、
    送電電力を検出し、検出結果又は前記通信部の受信情報に基づいて、送電電力を制御する制御部と、
    を備え、
    前記共振子は、
    磁性体コア及び前記磁性体コアに巻きつけられた巻き線を有するコイルと、
    前記コイルに発生する磁界と鎖交するように配置される寄生ループ素子と、
    を備え、
    前記制御部は、前記共振子の共振周波数又は前記コイルのインダクタンス値の変動に基づいて、前記寄生ループ素子の磁束鎖交量を調整することを特徴とする無線電力伝送装置。
11. 前記寄生ループ素子のループの開閉を切り替えるスイッチをさらに備え、
    前記制御部は、前記スイッチのオンオフを制御することを特徴とする請求項１０に記載の無線電力伝送装置。
12. 前記寄生ループ素子は前記磁性体コアの表面上に配置され、
    前記制御部は、前記寄生ループ素子を、前記磁性体コアの表面の垂線を軸に回転させることを特徴とする請求項１０に記載の無線電力伝送装置。
13. 前記寄生ループ素子は、前記磁性体コアの表面に対して斜めに配置され、
    前記制御部は、前記表面に対する傾斜角を制御することを特徴とする請求項１０に記載の無線電力伝送装置。
14. 前記寄生ループ素子は複数設けられ、
    各寄生ループ素子は、ループの開閉を切り替えるスイッチを有し、
    前記制御部は、各スイッチのオンオフを制御することを特徴とする請求項１０に記載の無線電力伝送装置。
15. 前記複数の寄生ループ素子には、第１サイズの寄生ループ素子と、前記第１サイズとは異なる第２サイズの寄生ループ素子とが含まれることを特徴とする請求項１４に記載の無線電力伝送装置。
16. 前記寄生ループ素子は、前記磁性体コアの表面上を移動可能に設けられ、
    前記制御部は、前記寄生ループ素子の位置を制御することを特徴とする請求項１０に記載の無線電力伝送装置。
17. 前記寄生ループ素子は、前記巻き線部に沿って、前記磁性体コアの中心部と側部との間を移動することを特徴とする請求項１６に記載の無線電力伝送装置。
18. 前記寄生ループ素子は、前記磁性体コアの周縁部に沿って移動することを特徴とする請求項１６に記載の無線電力伝送装置。

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