JP2017073899A - 電界結合式非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率向上と構成の簡素化との両立を図りつつ、直流電源を用いた負荷への直流電力の給電を行うことができる電界結合式非接触給電システムを提供する。
【解決手段】電界結合式非接触給電システム４０は、バッテリ１０２から出力される直流の蓄電電力を、両結合コンデンサＣ１、Ｃ２を介して非接触で負荷４１に給電する。電界結合式非接触給電システムは、Ｅ級動作によって蓄電電力を予め定められた周波数の伝送用電力に変換するＥ級インバータＥｉと、Ｅ級動作によって伝送用電力を直流電力に変換するＥ級コンバータＥｃとを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電界結合式非接触給電システムに関する。

従来から、結合コンデンサを介して非接触で負荷に給電する電界結合式非接触給電システムが知られている（例えば特許文献１参照）。例えば特許文献１には、結合コンデンサに対して交流電力を供給する送電回路と、結合コンデンサを介して伝送される交流電力を受電する受電回路とを備えた電界結合式非接触給電システムについて記載されている。

特開２０１３−４２６０７号公報

ここで、電界結合式非接触給電システムにおいては、結合コンデンサを介する関係上、交流電力で電力伝送を行う必要がある。このため、例えば、電源が直流電源であり、且つ、直流電力を負荷に入力させたい場合には、直流電力から交流電力への電力変換、及び、交流電力から直流電力への電力変換を行う必要がある。この場合、電力変換に係る損失に起因する効率低下が懸念されるとともに、上記電力変換を行うための構成が必要となる分、構成の複雑化が懸念される。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、その目的は効率向上と構成の簡素化との両立を図りつつ、直流電源を用いた負荷への直流電力の給電を行うことができる電界結合式非接触給電システムを提供することである。

上記目的を達成する電界結合式非接触給電システムは、直流電源から出力される直流の電源電力を、結合コンデンサを介して非接触で負荷に給電するものであって、前記電源電力を予め定められた周波数の交流電力に変換するＥ級インバータと、前記交流電力を直流電力に変換するＥ級コンバータと、を備え、前記Ｅ級インバータは、前記直流電源に直列接続された１次側コイルと、前記直流電源に並列接続された１石の１次側スイッチング素子と、前記１次側スイッチング素子に並列接続された１次側シャントキャパシタと、を有し、前記Ｅ級コンバータは、前記負荷に直列接続された２次側コイルと、前記負荷に並列接続された１石の２次側スイッチング素子と、前記２次側スイッチング素子に並列接続された２次側シャントキャパシタと、を有し、前記電界結合式非接触給電システムは、前記結合コンデンサと直列接続されたものであって前記結合コンデンサと協働して直列共振回路を構成する共振コイルを備え、前記直列共振回路は、前記１次側シャントキャパシタと前記２次側シャントキャパシタとの間に設けられており、前記Ｅ級インバータの一部を構成しているとともに前記Ｅ級コンバータの一部を構成していることを特徴とする。

かかる構成によれば、両スイッチング素子が周期的にＯＮ／ＯＦＦすることにより、Ｅ級インバータ及びＥ級コンバータにて、Ｅ級動作による電力変換動作が行われる。これにより、直流の電源電力が交流電力に変換され、当該交流電力が結合コンデンサを伝送する。そして、伝送された交流電力は直流電力に変換されて負荷に入力される。したがって、結合コンデンサを介して電源電力を負荷に給電することができる。

特に、Ｅ級動作によって電力変換動作が実現されているため、両スイッチング素子のスイッチング損失を低減できる。これにより、電界結合式非接触給電システムの効率向上を図ることができる。

ここで、Ｅ級動作を実現するためには、直列共振回路が必要となる。この点、本構成によれば、電界結合式の非接触の給電を行うのに必須の構成である結合コンデンサが直列共振回路の一部として採用されている。そして、当該直列共振回路は、Ｅ級インバータ及びＥ級コンバータの双方に用いられている。これにより、構成の簡素化を図ることができる。また、Ｅ級インバータ及びＥ級コンバータに含まれているスイッチング素子は１石である。これにより、スイッチング素子の数の削減を図ることができる。

更に、上記のように構成されているＥ級インバータ及びＥ級コンバータは、直流電力から交流電力への電力変換、及び、交流電力から直流電力への電力変換の双方向変換が可能となっている。これにより、直流電源から負荷への給電と、負荷から直流電源への給電との双方向給電を行うことができる。なお、本明細書において、直流電力とは、電力伝送方向が一定の電力を意味し、当該直流電力には、電力値が周期的に変化するものも含む。

上記電界結合式非接触給電システムについて、前記結合コンデンサは、ロータに設けられた回転電極と、前記回転電極と対向している位置に設けられ、前記ロータの回転に伴って回転しないように保持された保持電極と、で構成されているとよい。

かかる構成によれば、ブラシなどを用いることなく、回転しているロータに対して非接触給電を行うことができるとともに、ロータから出力される電力を非接触で受電することができる。

上記電界結合式非接触給電システムについて、前記直流電源は、充放電が可能な蓄電装置であり、前記負荷は、交流駆動の電動モータと、直流電力が入力された場合には当該直流電力を前記電動モータが駆動可能な交流の駆動電力に変換し、前記電動モータにて交流の回生電力が発生した場合には当該交流の回生電力を直流の回生電力に変換するモータインバータと、を含むとよい。

かかる構成によれば、電動モータにて交流の回生電力が発生している場合には、当該交流の回生電力は、モータインバータによって直流の回生電力に変換される。そして、Ｅ級コンバータ及びＥ級インバータを用いて、その直流の回生電力を蓄電装置に給電させることができる。よって、回生電力を用いた蓄電装置の充電を行うことができる。

上記電界結合式非接触給電システムについて、前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記１次側スイッチング素子を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることにより、前記Ｅ級インバータを動作させ、前記２次側スイッチング素子を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることにより、前記Ｅ級コンバータを動作させるものであり、前記制御部は、前記１次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングに対して前記２次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングを遅延時間だけ遅延させるものであり、当該遅延時間を変更することにより、電力伝送方向を、前記蓄電装置から前記負荷に向かう第１方向、又は、前記負荷から前記蓄電装置に向かう第２方向に切り替えるとよい。

かかる構成によれば、遅延時間の変更によって電力伝送方向を切り替えることができるため、蓄電装置を用いて電動モータを駆動させる力行動作、及び、回生電力を用いて蓄電装置を充電する回生動作の双方に対応できる。また、電力伝送経路を切り替えるスイッチ等を設けることなく、電力伝送方向を切り替えることができるため、構成の簡素化を図ることができる。

上記電界結合式非接触給電システムについて、前記交流電力の周波数は、前記駆動電力の周波数よりも高く設定されているとよい。
かかる構成によれば、結合コンデンサを介する非接触の電力伝送に適した交流電力の周波数と、電動モータを駆動させるのに適した駆動電力の周波数とが異なる場合に対応できる。よって、電動モータを好適に駆動させることができるとともに、結合コンデンサを介する非接触の給電を好適に行うことができる。

この発明によれば、効率向上と構成の簡素化との両立を図りつつ、直流電源を用いた負荷への直流電力の給電を行うことができる。

回転電機及び車両の概要を示す模式図。 非接触電力伝送部の概要を模式的に示す断面図。 電界結合式非接触給電システムの電気的構成を示す回路図。 （ａ）は１周期における１次側スイッチング素子のスイッチング態様を示すタイムチャートであり、（ｂ）は１周期における２次側スイッチング素子のスイッチング態様を示すタイムチャート。 遅延時間と、電力伝送方向及び伝送される電力値との関係を示すグラフ。 （ａ）は１次側スイッチング素子のスイッチング態様を示すタイムチャートであり、（ｂ）は２次側スイッチング素子のスイッチング態様を示すタイムチャート。 別例のＥ級インバータ及びＥ級コンバータを示す回路図。

以下、電界結合式非接触給電システムの一実施形態について説明する。なお、本実施形態では、一例として電界結合式非接触給電システムが適用された回転電機について説明する。

まず、回転電機の概要について説明する。図１に示すように、本実施形態の回転電機１０は、エンジン１０１及びバッテリ（蓄電装置）１０２を有する車両１００に搭載されており、ハイブリッドトランスアクスルに用いられる。なお、バッテリ１０２は直流電源であり、バッテリ１０２の蓄電電力が「電源電力」に対応する。

回転電機１０は、回転可能なインナーロータ１１及びアウターロータ１２と、回転しないように保持されているステータ１３とを備えている。例えば、インナーロータ１１は柱状であり、アウターロータ１２及びステータ１３は筒状である。両ロータ１１，１２及びステータ１３は、径方向内側から径方向外側に向かうに従って、インナーロータ１１、アウターロータ１２及びステータ１３の順に同心円状に配置されている。

回転電機１０は、これら両ロータ１１，１２とステータ１３とが収容されたハウジング１４（図２参照）を備えている。両ロータ１１，１２は、ハウジング１４に対して回転可能な状態で支持されている一方、ステータ１３は、ハウジング１４に固定されている。この場合、インナーロータ１１とアウターロータ１２とは、相対回転可能となっている。

インナーロータ１１は、エンジン１０１の出力軸に機械的に連結されている。インナーロータ１１は、エンジン１０１の動力が伝達されることにより、回転する。
インナーロータ１１は、筒状のインナーロータコア２１と、インナーロータコア２１に捲回されたロータコイル２２とを有している。ロータコイル２２は、ｕ相ロータコイル２２ｕと、ｖ相ロータコイル２２ｖと、ｗ相ロータコイル２２ｗとから構成されている。インナーロータ１１が回転した場合、ロータコイル２２も回転する。

アウターロータ１２は、車両１００の車軸１０３に機械的に連結されている。このため、アウターロータ１２の回転力は車軸１０３に伝達され、且つ、車軸１０３の回転力はアウターロータ１２に伝達される。

アウターロータ１２は、インナーロータコア２１の外周面と対向する内周面を有する筒状のアウターロータコア２３と、アウターロータコア２３に埋設された永久磁石２４，２５とを備えている。両永久磁石２４，２５は、径方向にずれて埋設されている。両永久磁石２４，２５のうち内側に埋設されている第１永久磁石２４とインナーロータ１１とが対向している。

ステータ１３は、アウターロータ１２の外周面と対向する内周面を有する筒状のステータコア２６と、ステータコア２６に捲回されたステータコイル２７とを備えている。ステータコイル２７は、ロータコイル２２と同様に、３つの相コイルで構成されている。ステータ１３と、両永久磁石２４，２５のうち外側に埋設されている第２永久磁石２５とが対向している。

かかる構成によれば、インナーロータ１１（詳細にはロータコイル２２）とアウターロータ１２（詳細には第１永久磁石２４）とによって第１電動モータ３１が構成され、アウターロータ１２（詳細には第２永久磁石２５）とステータ１３（詳細にはステータコイル２７）とによって第２電動モータ３２が構成されている。第１電動モータ３１は、インナーロータ１１を回転させる三相モータである。第２電動モータ３２は、アウターロータ１２を回転させる三相モータである。

図１に示すように、車両１００には、バッテリ１０２の蓄電電力を、第２電動モータ３２が駆動可能な交流の駆動電力に変換してステータコイル２７に出力するステータインバータ３３が搭載されている。ステータインバータ３３は、両ロータ１１，１２の回転に伴って回転しないようにハウジング１４又は車両１００に固定されている。なお、ステータインバータ３３は、回転電機１０と一体化されていてもよいし、回転電機１０とは別体であってもよい。

本実施形態の回転電機１０は、バッテリ１０２から出力される直流の蓄電電力を、結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介して非接触で、第１電動モータ３１を含む負荷４１に給電する電界結合式非接触給電システム４０を備えている。当該電界結合式非接触給電システム４０について以下に説明する。

図１に示すように、電界結合式非接触給電システム４０は、インナーロータ１１に設けられ、ロータコイル２２に対する給電を行うのに用いられる電子ユニット４２を備えている。電子ユニット４２は、インナーロータ１１の回転に伴って回転する。

電界結合式非接触給電システム４０は、蓄電電力を、予め定められた周波数を有する交流の伝送用電力（交流電力）に変換するステータ変換部（第１変換部）４３と、ステータ変換部４３によって変換された伝送用電力を電子ユニット４２に伝送する非接触電力伝送部４４とを備えている。なお、換言すれば、伝送用電力は非接触給電用電力とも言えるし、非接触電力伝送部４４は、伝送用電力を電子ユニット４２に給電する非接触給電部とも言える。

電子ユニット４２及び非接触電力伝送部４４の詳細な構成について説明する。
図２に示すように、インナーロータ１１は、回転軸５１と、回転軸５１に固定された筒状（詳細には円筒状）の絶縁部材５２とを備えている。回転軸５１は、エンジン１０１の出力軸に連結されている。絶縁部材５２は、例えば樹脂等で形成されており、回転軸５１を径方向外側から覆っている。回転軸５１の軸線方向がインナーロータ１１の軸線方向であり、絶縁部材５２の軸線方向はインナーロータ１１の軸線方向と一致している。

絶縁部材５２の軸線方向の端部５２ａは、ハウジング１４に形成された凹部１４ａに入り込んでいる。そして、絶縁部材５２の軸線方向の端部５２ａと凹部１４ａの側壁面との間には、絶縁部材５２を回転可能に支持する軸受５３が設けられている。これにより、回転軸５１及び絶縁部材５２は、ハウジング１４に対して回転可能に支持されている。

非接触電力伝送部４４は、インナーロータ１１に設けられ、インナーロータ１１の回転に伴って回転する回転電極６１，６２と、インナーロータ１１の回転に伴って回転しないように保持された保持電極７１，７２とを有している。回転電極６１，６２と保持電極７１，７２とは、電界結合しており、詳細には所定の間隔を隔てて対向配置されている。

回転電極６１，６２は、絶縁部材５２の外周面に固定された筒状であり、回転電極６１，６２の軸線方向とインナーロータ１１の軸線方向とは一致している。ちなみに、両回転電極６１，６２は、インナーロータ１１の軸線方向に離間して配置されている。

両保持電極７１，７２は、回転電極６１，６２よりも長い内径を有する筒状（詳細には円筒状）である。保持電極７１，７２は、回転電極６１，６２と電界結合する位置に配置されている。詳細には、第１保持電極７１は、第１回転電極６１とインナーロータ１１の径方向に対向しており、第２保持電極７２は、第２回転電極６２とインナーロータ１１の径方向に対向している。

非接触電力伝送部４４は、両保持電極７１，７２をハウジング１４に保持するための保持部材８０を備えている。保持部材８０は、例えば両保持電極７１，７２の内径と同一の内径を有する円筒状であり、絶縁性を有している。保持部材８０の軸線方向とインナーロータ１１の軸線方向とは一致している。保持部材８０は、ハウジング１４の内面のうち凹部１４ａの周囲からインナーロータ１１の軸線方向に起立して設けられており、ハウジング１４に固定されている。保持部材８０の内周面における回転電極６１，６２と径方向に対向する位置には、当該内周面から凹んだ溝８１，８２が形成されている。保持電極７１，７２は、溝８１，８２に嵌り込んだ状態で保持部材８０に固定されている。これにより、両保持電極７１，７２は、インナーロータ１１の回転に伴って回転しないようになっている。また、電界結合式非接触給電システム４０は、両保持電極７１，７２とステータ変換部４３とを電気的に接続するステータ側配線８３を備えている。

かかる構成によれば、電界結合している第１回転電極６１及び第１保持電極７１によって第１結合コンデンサＣ１が構成され、電界結合している第２回転電極６２及び第２保持電極７２によって第２結合コンデンサＣ２が構成されている。これら両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介して、回転する電子ユニット４２と、回転しないステータ変換部４３との間で伝送用電力の伝送が可能となっている。

なお、ステータ変換部４３からステータ側配線８３を介して両保持電極７１，７２に伝送用電力が入力される場合、両保持電極７１，７２が両回転電極６１，６２に伝送用電力を送電する「送電部」として機能する。そして、両回転電極６１，６２が両保持電極７１，７２から伝送用電力を非接触で受電する「受電部」として機能する。

図２に示すように、電子ユニット４２は、各種電子部品が実装される回路基板９１を備えている。回路基板９１は、例えば平板リング状であって、インナーロータ１１に設けられている。詳細には、回路基板９１は、非接触電力伝送部４４に対して離れた位置にて、絶縁部材５２が挿通された状態で絶縁部材５２に固定されている。このため、回路基板９１は、インナーロータ１１の回転に伴って回転する。

回路基板９１には、伝送用電力を直流電力に変換するロータ変換部（第２変換部）９２が搭載されている。ロータ変換部９２と非接触電力伝送部４４とは電気的に接続されている。詳細には、絶縁部材５２には、第１回転電極６１と接触している第１バスバー９３ａと、第２回転電極６２と接触している第２バスバー９３ｂとが埋設されている。両バスバー９３ａ，９３ｂは、互いに絶縁部材５２の周方向にずれた位置に設けられており、インナーロータ１１の軸線方向、詳細には電子ユニット４２に向けて延びている。そして、両バスバー９３ａ，９３ｂは、ロータ変換部９２に接続されている。これにより、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介して伝送される伝送用電力は、両バスバー９３ａ，９３ｂを介して、ロータ変換部９２に入力されることとなる。

また、回路基板９１には、ロータ変換部９２によって変換された直流電力を第１電動モータ３１が駆動可能な駆動電力に変換するモータインバータ９４が搭載されている。モータインバータ９４は、絶縁部材５２に埋設された複数の配線９５を介して、ロータコイル２２に電気的に接続されている。モータインバータ９４は、変換した駆動電力をロータコイル２２に出力する。

更に、電子ユニット４２は、ロータ変換部９２及びモータインバータ９４を制御するロータコントローラ９６を備えている。ロータコントローラ９６は、回路基板９１に実装されている。

なお、図示は省略するが、実際には、回転電機１０は、ロータコントローラ９６に動作電力を供給する電力供給部を備えている。電力供給部は、例えばインナーロータ１１に設けられた回転電極と、回転電極と対向する位置にてハウジング１４に固定された保持電極とによって構成された結合コンデンサを介して電力供給を行う。なお、ロータコントローラ９６への動作電力の給電は、常に行われている構成であってもよいし、必要な処理の前段階（例えば力行動作開始前）から行われる構成でもよい。

図１に示すように、電界結合式非接触給電システム４０は、ステータ変換部４３を制御するとともに、ステータインバータ３３を制御するステータコントローラ９７を備えている。ステータコントローラ９７は、両ロータ１１，１２の回転に伴って回転しないようにハウジング１４又は車両１００に固定されている。なお、ステータコントローラ９７は、回転電機１０と一体化されていてもよいし、別体でもよい。

ロータコントローラ９６とステータコントローラ９７とは、互いに情報のやり取りが可能に構成されている。詳細には、図３に示すように、電界結合式非接触給電システム４０は、インナーロータ１１に設けられた２つの信号用回転電極とハウジング１４に固定された２つの信号用保持電極とから構成された信号用結合コンデンサＣｚ１，Ｃｚ２を備えている。両コントローラ９６，９７は、両信号用結合コンデンサＣｚ１，Ｃｚ２を介して電気的に接続されている。なお、図２においては、信号用結合コンデンサＣｚ１，Ｃｚ２の図示は省略する。両コントローラ９６，９７が「制御部」に対応する。

ここで、ステータコントローラ９７は、インナーロータ１１の回転数及び回転位置と、アクセル及びブレーキの動作状況と車両１００の走行状況とを把握可能に構成されている。そして、ステータコントローラ９７は、これらの状況に基づいて、バッテリ１０２の蓄電電力を用いて第１電動モータ３１を駆動させる力行動作を行うか、第１電動モータ３１にて発生する回生電力を用いてバッテリ１０２を充電する回生動作を行うかを決定する。そして、ステータコントローラ９７は、ロータコントローラ９６と協働して、決定された動作を行う。

なお、インナーロータ１１の回転数及び回転位置を把握する具体的な構成は任意であり、例えば回転数を検出する専用のセンサを設ける構成でもよいし、各相ロータコイル２２ｕ〜２２ｗに流れる電流値から推定する構成でもよい。

以下、力行動作及び回生動作について、電界結合式非接触給電システム４０の電気的構成の詳細な説明と合わせて説明する。
まず、図３を用いて電界結合式非接触給電システム４０の電気的構成について説明する。本実施形態の電界結合式非接触給電システム４０は、等価回路的には、バッテリ１０２から第１電動モータ３１の各相ロータコイル２２ｕ〜２２ｗに向けて、ステータ変換部４３、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２（非接触電力伝送部４４）、ロータ変換部９２及びモータインバータ９４が順次設けられた構成となっている。

ステータ変換部４３は、バッテリ１０２に直列接続された１次側コイルＬ１と、バッテリ１０２に並列接続された１石の１次側スイッチング素子Ｑ１と、１次側スイッチング素子Ｑ１に並列接続された１次側シャントキャパシタＣｓ１とを備えている。１次側スイッチング素子Ｑ１は、１次側コイルＬ１に対して後段（詳細には両結合コンデンサＣ１，Ｃ２側）に設けられている。１次側シャントキャパシタＣｓ１は、１次側スイッチング素子Ｑ１に対して後段に設けられている。すなわち、１次側シャントキャパシタＣｓ１は、１次側コイルＬ１に対して後段に設けられている。

ロータ変換部９２は、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２と、モータインバータ９４及び第１電動モータ３１（換言すれば各相ロータコイル２２ｕ〜２２ｗ）からなる負荷４１との間に設けられている。ロータ変換部９２は、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介して、ステータ変換部４３と左右対称の回路構成となっている。詳細には、ロータ変換部９２は、負荷４１に直列接続された２次側コイルＬ２と、上記負荷４１に並列接続された１石の２次側スイッチング素子Ｑ２と、２次側スイッチング素子Ｑ２に並列接続された２次側シャントキャパシタＣｓ２とを備えている。２次側コイルＬ２は、負荷４１に対して前段（詳細には両結合コンデンサＣ１，Ｃ２側）に設けられている。２次側スイッチング素子Ｑ２は、２次側コイルＬ２よりも前段に設けられている。２次側シャントキャパシタＣｓ２は、２次側スイッチング素子Ｑ２よりも前段に設けられている。すなわち、２次側シャントキャパシタＣｓ２は、２次側コイルＬ２に対して前段に設けられている。２次側シャントキャパシタＣｓ２は、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介して、１次側シャントキャパシタＣｓ１と並列接続されている。

なお、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、例えばｎ型のパワーＭＯＳＦＥＴ等である。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ソース・ドレイン間に接続されたボディダイオード（寄生ダイオード）Ｄ１，Ｄ２を有している。

更に、電界結合式非接触給電システム４０は、両コイルＬ１，Ｌ２とは別に第１結合コンデンサＣ１に直列接続されたものであって第１結合コンデンサＣ１と協働して直列共振回路９８を構成する共振コイルＬ３を備えている。共振コイルＬ３は、両シャントキャパシタＣｓ１，Ｃｓ２の間に設けられている。詳細には、共振コイルＬ３は、１次側コイルＬ１と第１保持電極７１とを接続する配線上に設けられている。本実施形態では、ステータ変換部４３が共振コイルＬ３を有している。

かかる構成によれば、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が周期的にＯＮ／ＯＦＦすることにより、バッテリ１０２から第１電動モータ３１に向かう電力伝送（換言すれば給電）が可能となっているとともに、第１電動モータ３１からバッテリ１０２に向かう電力伝送が可能となっている。すなわち、本実施形態の電界結合式非接触給電システム４０は、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介する双方向の非接触電力伝送が可能となっている。

なお、第１電動モータ３１からバッテリ１０２に向かう電力伝送が行われる場合には、両回転電極６１，６２が両保持電極７１，７２に伝送用電力を送電する「送電部」として機能し、両保持電極７１，７２が両回転電極６１，６２から伝送用電力を非接触で受電する「受電部」として機能する。また、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のＯＮ状態とは導通状態とも言え、ＯＦＦ状態は遮断状態（非導通状態）とも言える。

ここで、ステータ変換部４３及び直列共振回路９８が、Ｅ級動作によって蓄電電力を伝送用電力に変換するＥ級インバータＥｉを構成している。そして、直列共振回路９８及びロータ変換部９２が、Ｅ級動作によって伝送用電力を直流電力に変換するＥ級コンバータＥｃを構成している。換言すれば、電界結合式非接触給電システム４０は、Ｅ級インバータＥｉ及びＥ級コンバータＥｃの双方の一部として機能している直列共振回路９８とを備えている。

伝送用電力の電力値は、駆動電力を生成できる程度に設定されている。つまり、伝送用電力の電力値は、第１電動モータ３１が駆動できる値に設定されている。この場合、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスは、上記伝送用電力を伝送できるように伝送用電力の周波数及び電圧値に対応させて設定されている。また、両シャントキャパシタＣｓ１，Ｃｓ２のキャパシタンス及び各コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３のインダクタンスは、Ｅ級動作条件を満たすように、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスに対応させて設定されている。Ｅ級動作条件とは、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のターンオン時に両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の印加電圧が「０」であるとともに印加電圧波形の傾きが「０」となる条件である。

なお、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスは、回転電極６１，６２及び保持電極７１，７２の軸線方向の長さや、回転電極６１，６２の径と保持電極７１，７２の径との比率等に基づいて決まる。この場合、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスを高くしようとすると、非接触電力伝送部４４は大型になり易い。

図３に示すように、各相ロータコイル２２ｕ〜２２ｗは、例えばＹ結線されている。モータインバータ９４は、第１電動モータ３１が三相モータであることに対応させて、三相インバータである。詳細には、モータインバータ９４は、ｕ相ロータコイル２２ｕに対応するｕ相スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２と、ｖ相ロータコイル２２ｖに対応するｖ相スイッチング素子Ｑｖ１，Ｑｖ２と、ｗ相ロータコイル２２ｗに対応するｗ相スイッチング素子Ｑｗ１，Ｑｗ２と、を備えている。各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２（以降単に各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２と示す）は例えばＩＧＢＴである。

両ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２は接続線を介して互いに直列に接続されており、その接続線は、ｕ相ロータコイル２２ｕに接続されている。そして、両ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２の直列接続体に対してロータ変換部９２からの直流電力が入力されている。なお、他のスイッチング素子Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２については、対応するコイルが異なる点を除いて、ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２と同様の接続態様であるため、詳細な説明を省略する。

また、スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２には、還流ダイオードＤｕ１〜Ｄｗ２が並列に設けられている。当該還流ダイオードＤｕ１〜Ｄｗ２は、例えばスイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２のボディダイオード（寄生ダイオード）であってもよいし、別途設けられていてもよい。

なお、電界結合式非接触給電システム４０は、ロータ変換部９２とモータインバータ９４との間に設けられ、ロータ変換部９２及びモータインバータ９４の双方に並列接続された平滑コンデンサＣ３を備えている。また、電界結合式非接触給電システム４０は、モータインバータ９４の入力電圧値を検出する電圧センサ９９を備えている。電圧センサ９９は、その検出結果をロータコントローラ９６に送信する。

ロータコントローラ９６は、２次側スイッチング素子Ｑ２を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることにより、ロータ変換部９２を動作させるコンバータ制御部９６ａと、各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２を制御することによりモータインバータ９４を動作させるインバータ制御部９６ｂとを備えている。

インバータ制御部９６ｂは、力行動作時には、各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２を所定のパターンで周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることにより、直流電力を駆動電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換動作を実行させる。一方、インバータ制御部９６ｂは、回生動作時、すなわち第１電動モータ３１にて交流の回生電力が発生している場合には、各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２を全てＯＦＦ状態に維持することにより、各還流ダイオードＤｕ１〜Ｄｗ２を用いて第１電動モータ３１にて発生した交流の回生電力を整流させる。このため、回生動作時には、負荷４１から直流の回生電力が出力されることとなる。

駆動電力の周波数は、モータインバータ９４の基本波周波数である。当該基本波周波数は、第１電動モータ３１の回転数や極数に基づいて決定される。各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２のスイッチング周波数は、駆動電力の周波数よりも高い。

ここで、ステータコントローラ９７は、周期的にＨＩ／ＬＯＷに切り替わるクロック信号ＣＫを用いて１次側スイッチング素子Ｑ１を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることにより、Ｅ級インバータＥｉ（ステータ変換部４３）を動作させる。

更にステータコントローラ９７は、上記クロック信号ＣＫをロータコントローラ９６に送信する。この場合、クロック信号ＣＫは、信号用結合コンデンサＣｚ１，Ｃｚ２を伝送する際に微分される。このため、ロータコントローラ９６は、クロック信号ＣＫの微分波形を受信することとなる。これに対して、ロータコントローラ９６は、クロック信号ＣＫの微分波形からクロック信号ＣＫを生成（復元）する回路を有している。これにより、ロータコントローラ９６は、クロック信号ＣＫを把握できる。

ロータコントローラ９６のコンバータ制御部９６ａは、クロック信号ＣＫに基づいて、１次側スイッチング素子Ｑ１よりも遅延時間Ｔｄだけ遅延させて２次側スイッチング素子Ｑ２を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることにより、Ｅ級コンバータＥｃ（ロータ変換部９２）を動作させる。この場合、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数は同一であり、詳細にはクロック信号ＣＫの周波数と同一である。また、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフのデューティ比は同一である。このため、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、１次側スイッチング素子Ｑ１の立ち上がりタイミングに対して２次側スイッチング素子Ｑ２の立ち上がりタイミングが遅延時間Ｔｄだけ遅れた状態で、同一の周期ＴでＯＮ／ＯＦＦしている。

ちなみに、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数は、伝送用電力の周波数と一致している。そして、上記スイッチング周波数（換言すれば伝送用電力の周波数）は、駆動電力の周波数よりも高く設定されており、更に各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２のスイッチング周波数よりも高く設定されている。例えば両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数は、駆動電力の周波数よりも１００倍以上高く設定されている。

ここで、本発明者らは、電力伝送方向（換言すれば給電方向）や電力値が、遅延時間Ｔｄに依存している特性を見出した。当該特性について図５を用いて説明する。
図５は、遅延時間Ｔｄと、電力伝送方向及び伝送される電力値との関係を示すグラフである。図５においては、バッテリ１０２から第１電動モータ３１（負荷４１）に向かう方向を正（＋）方向とし、第１電動モータ３１からバッテリ１０２に向かう方向を負（−）方向としている。正方向が「第１方向」に対応し、負方向が「第２方向」に対応する。また、図５中の実線の電源グラフＰｔ１は、遅延時間Ｔｄに対するバッテリ１０２の電力消費を示すグラフであり、図５中の一点鎖線の負荷グラフＰｔ２は、遅延時間Ｔｄに対する負荷４１の電力消費を示すグラフである。

図５に示すように、電力伝送方向は、遅延時間Ｔｄに応じて異なっている。詳細には、電力伝送方向は、遅延時間Ｔｄが０〜Ｔ／２である場合には負方向となり、遅延時間ＴｄがＴ／２〜Ｔである場合には正方向となる。なお、遅延時間ＴｄがＴ／２である場合、バッテリ１０２の電力消費と負荷４１の電力消費とが打ち消し合って「０」となる。この場合、正方向及び負方向のどちらにも電力伝送は行われない。

また、バッテリ１０２及び負荷４１の電力消費は、遅延時間Ｔｄに応じて変動している。この場合、遅延時間Ｔｄが０〜Ｔ／２の範囲内で、バッテリ１０２及び負荷４１の電力消費が最大となる遅延時間Ｔｄを回生遅延時間Ｔｄ１とする。遅延時間Ｔｄが回生遅延時間Ｔｄ１に設定されている場合、第１電動モータ３１からバッテリ１０２に向けて伝送される電力値が最大となる。

また、遅延時間ＴｄがＴ／２〜Ｔの範囲内で、バッテリ１０２及び負荷４１の電力消費が最大となる遅延時間Ｔｄを力行遅延時間Ｔｄ２とする。遅延時間Ｔｄが力行遅延時間Ｔｄ２に設定されている場合、バッテリ１０２から第１電動モータ３１に向けて伝送される電力値が最大となる。

遅延時間Ｔｄが０〜Ｔ／２である場合、バッテリ１０２の電力消費が負荷４１の電力消費よりも小さくなっている。両者の差は、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介する非接触電力伝送を含めたロータ変換部９２からステータ変換部４３までの電力伝送の損失を示す。

遅延時間ＴｄがＴ／２〜Ｔである場合、負荷４１の電力消費がバッテリ１０２の電力消費よりも小さくなっている。両者の差は、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介する非接触電力伝送を含めたステータ変換部４３からロータ変換部９２までの電力伝送の損失を示す。

なお、バッテリ１０２の電力消費とは、電力伝送方向が正方向である場合には放電による電力消費であり、電力伝送方向が負方向である場合には充電による電力消費である。
また、負荷４１の電力消費とは、電力伝送方向が正方向である場合には第１電動モータ３１の駆動等による電力消費であり、電力伝送方向が負方向である場合には第１電動モータ３１の回生等による電力消費である。

次に、電力伝送方向に対するＥ級インバータＥｉ及びＥ級コンバータＥｃの動作について説明する。
電力伝送方向が正方向である場合、Ｅ級インバータＥｉ（詳細にはステータ変換部４３）では、蓄電電力を伝送用電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換動作が行われ、Ｅ級コンバータＥｃ（詳細にはロータ変換部９２）では、伝送用電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換動作が行われる。これにより、直流電力がモータインバータ９４に入力される。

一方、電力伝送方向が負方向である場合、Ｅ級コンバータＥｃでは、直流電力を伝送用電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換動作が行われ、Ｅ級インバータＥｉでは、伝送用電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換動作が行われる。これにより、Ｅ級インバータＥｉにて変換された直流電力がバッテリ１０２に入力される。

コンバータ制御部９６ａは、上記特性に基づいて、遅延時間Ｔｄを決定する。詳細には、コンバータ制御部９６ａは、ステータコントローラ９７から力行動作を行う指令を受信している場合には、正方向に対応した遅延時間Ｔｄ、本実施形態では力行遅延時間Ｔｄ２を決定する。コンバータ制御部９６ａは、ステータコントローラ９７から回生動作を行う指令を受信している場合には、負方向に対応した遅延時間Ｔｄ、本実施形態では回生遅延時間Ｔｄ１を決定する。つまり、本実施形態では、電界結合式非接触給電システム４０は、１次側スイッチング素子Ｑ１に対する２次側スイッチング素子Ｑ２の遅延時間Ｔｄを可変制御することにより、電力伝送方向を制御する。

次に、力行動作開始時の両コントローラ９６，９７（ロータコントローラ９６についてはコンバータ制御部９６ａ）の具体的な制御態様について説明する。
まず、両コントローラ９６，９７は、１次側スイッチング素子Ｑ１に対して２次側スイッチング素子Ｑ２を力行遅延時間Ｔｄ２だけ遅延させて、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせる。これにより、蓄電電力から伝送用電力へのＤＣ／ＡＣ変換動作、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介する伝送用電力の非接触の電力伝送、及び、伝送された伝送用電力（換言すれば両回転電極６１，６２にて受電された電力）を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換動作が行われる。

なお、この段階では、インバータ制御部９６ｂは、モータインバータ９４を動作させない。すなわち、インバータ制御部９６ｂは、各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２を全てＯＦＦ状態にする。

その後、インバータ制御部９６ｂは、電圧センサ９９の検出結果に基づいて、モータインバータ９４の入力電圧値を把握し、当該入力電圧値が予め定められた閾値電圧値以上となっているか否かを定期的に判定する。インバータ制御部９６ｂは、把握された入力電圧値が閾値電圧値以上となったことに基づいて、モータインバータ９４にてＤＣ／ＡＣ変換動作を実行させる。これにより、モータインバータ９４にて直流電力が駆動電力に変換されて、第１電動モータ３１に入力される。よって、第１電動モータ３１が駆動され、第１電動モータ３１の回転数が上昇する。

続いて、両コントローラ９６，９７は、第１電動モータ３１の回転数を把握し、その把握結果に基づいて、平滑コンデンサＣ３等に過度な電圧が付与されないように第１電動モータ３１に流れる電流値であるモータ電流値を制御する。

例えば、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、両コントローラ９６，９７は、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のＯＮ／ＯＦＦが行われる第１制御と両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がＯＦＦ状態に維持される第２制御とを１つの単位制御として、当該単位制御を予め定められた規定周期Ｔａで繰り返し実行する。第１制御が行われる期間を第１制御期間Ｔａ１とし、第２制御が行われる期間を第２制御期間Ｔａ２とする。規定周期Ｔａは、両制御期間Ｔａ１，Ｔａ２を加算した値である。

かかる構成において、両コントローラ９６，９７は、第１電動モータ３１の回転数が高くなるに従って、徐々に、規定周期Ｔａに対する第２制御期間Ｔａ２の比率が徐々に大きくなる（換言すれば規定周期Ｔａに対する第１制御期間Ｔａ１の比率が徐々に小さくなる）ように両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。例えば、ステータコントローラ９７は、クロック信号ＣＫの出力を断続的に行うとともに、その出力間隔を調整することにより、両制御期間Ｔａ１，Ｔａ２の調整を行う。

そして、両コントローラ９６，９７は、第１電動モータ３１の回転数が所望の回転数に到達した場合、当該回転数で定速回転するようにＥ級インバータＥｉ、Ｅ級コンバータＥｃ及びモータインバータ９４を制御する。

次に、回生動作開始時の両コントローラ９６，９７の具体的な制御態様について説明する。なお、既に説明した通り、回生動作時には、モータインバータ９４によって交流の回生電力が整流されるため、モータインバータ９４からは直流の回生電力が出力される。

両コントローラ９６，９７は、回生動作時には、１次側スイッチング素子Ｑ１に対して２次側スイッチング素子Ｑ２を回生遅延時間Ｔｄ１だけ遅延させて、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせる。これにより、回生電力から伝送用電力へのＤＣ／ＡＣ変換動作、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介する伝送用電力の非接触の電力伝送、及び、伝送された伝送用電力（換言すれば両保持電極７１，７２にて受電された電力）を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換動作が行われる。これにより、回生電力によるバッテリ１０２の充電が行われる。

なお、両コントローラ９６，９７は、回生動作中、回生ブレーキの必要量に応じて、伝送用電力の電力値を可変制御する。当該電力値の可変制御は、例えば上述した第１制御期間Ｔａ１と第２制御期間Ｔａ２との調整を行うこと等が考えられる。

そして、両コントローラ９６，９７は、電圧センサ９９によって検出された電圧値が予め定められた閾値電圧値よりも低くなった場合には、Ｅ級コンバータＥｃのＤＣ／ＡＣ変換動作及びＥ級インバータＥｉのＡＣ／ＤＣ変換動作を停止させる。詳細には、両コントローラ９６，９７は、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をＯＦＦ状態にする。なお、回生動作中における電圧センサ９９によって検出された電圧値は、モータインバータ９４から出力される回生電力の電圧値を意味する。

なお、両コントローラ９６，９７は、第１電動モータ３１の空転時には、Ｅ級インバータＥｉ、Ｅ級コンバータＥｃ及びモータインバータ９４の動作を停止させる。詳細には、両コントローラ９６，９７は、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２及び各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２を全てＯＦＦ状態に設定する。

次に本実施形態の作用について説明する。
第１結合コンデンサＣ１を含む直列共振回路９８が、Ｅ級インバータＥｉ及びＥ級コンバータＥｃの双方を構成している。力行動作時及び回生動作時には、Ｅ級インバータＥｉ及びＥ級コンバータＥｃのＥ級動作によって電力変換動作が行われるとともに、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介した非接触の電力伝送が行われる。

以上詳述した本実施形態によれば以下の効果を奏する。
（１）電界結合式非接触給電システム４０は、バッテリ１０２から出力される直流の蓄電電力を、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介して非接触で負荷４１に給電するものである。電界結合式非接触給電システム４０は、Ｅ級動作によって蓄電電力を予め定められた周波数の伝送用電力に変換するＥ級インバータＥｉと、Ｅ級動作によって伝送用電力を直流電力に変換するＥ級コンバータＥｃとを備えている。

Ｅ級インバータＥｉは、バッテリ１０２に直列接続された１次側コイルＬ１と、バッテリ１０２に並列接続された１石の１次側スイッチング素子Ｑ１と、１次側スイッチング素子Ｑ１に並列接続された１次側シャントキャパシタＣｓ１とを有している。Ｅ級コンバータＥｃは、負荷４１（詳細にはモータインバータ９４）に直列接続された２次側コイルＬ２と、負荷４１に並列接続された１石の２次側スイッチング素子Ｑ２と、２次側スイッチング素子Ｑ２に並列接続された２次側シャントキャパシタＣｓ２とを有している。つまり、Ｅ級インバータＥｉとＥ級コンバータＥｃとは、鏡面対称構成となっている。

かかる構成において、電界結合式非接触給電システム４０は、第１結合コンデンサＣ１と直列接続されたものであって第１結合コンデンサＣ１と協働して直列共振回路９８を構成する共振コイルＬ３を備えている。直列共振回路９８は、両シャントキャパシタＣｓ１，Ｃｓ２の間に設けられており、Ｅ級インバータＥｉの一部を構成しているとともにＥ級コンバータＥｃの一部を構成している。

かかる構成によれば、Ｅ級動作によって電力変換動作が行われるため、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング損失を低減することができる。詳述すると、Ｅ級動作とは、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のターンオン時における両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の印加電圧及び印加電圧の傾きが「０」となる動作モードである。この場合、ターンオン時にＺＶＳ動作が実現されるとともに、ターンオフ損失が最小となる。これにより、電界結合式非接触給電システム４０の効率向上を図ることができる。

ここで、Ｅ級動作を実現するためには、直列共振回路が必要となる。この点、本実施形態では、電界結合式の非接触の電力伝送（換言すれば給電）を行うのに必須の構成である第１結合コンデンサＣ１が直列共振回路９８の一部として採用されている。これにより、専用のコンデンサを別途設ける構成と比較して、構成の簡素化を図ることができる。換言すれば、第１結合コンデンサＣ１の多機能化を実現している。

更に、上記直列共振回路９８は、Ｅ級インバータＥｉ及びＥ級コンバータＥｃの双方に用いられている。よって、Ｅ級インバータＥｉ及びＥ級コンバータＥｃの双方においてそれぞれ専用の直列共振回路を設ける構成と比較して、構成の簡素化を図ることができる。

特に、Ｅ級インバータＥｉ及びＥ級コンバータＥｃに含まれているスイッチング素子は１石である。これにより、スイッチング素子の数の削減を図ることができる。
更に、Ｅ級インバータＥｉ及びＥ級コンバータＥｃが上記のように構成されているため、電界結合式非接触給電システム４０は、バッテリ１０２から負荷４１への電力伝送だけでなく、負荷４１からバッテリ１０２への電力伝送が可能な双方向給電システムとなっている。これにより、双方向給電に好適に対応できる。

（２）結合コンデンサＣ１，Ｃ２は、インナーロータ１１に設けられた回転電極６１，６２と、回転電極６１，６２と対向している位置に設けられ、インナーロータ１１の回転に伴って回転しないように保持された保持電極７１，７２とで構成されている。かかる構成によれば、回転しているインナーロータ１１に対して非接触給電を行うことができるとともに、インナーロータ１１から出力される伝送用電力を非接触で受電することができる。よって、ブラシレス化を図ることができる。

（３）負荷４１は、モータインバータ９４と、交流駆動の第１電動モータ３１とを含む。モータインバータ９４は、直流電力が入力された場合には当該直流電力を第１電動モータ３１が駆動可能な交流の駆動電力に変換し、第１電動モータ３１にて交流の回生電力が発生した場合には当該交流の回生電力を直流の回生電力に変換するものである。これにより、回生動作時には、負荷４１から直流の回生電力が出力される。そして、当該回生電力は、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介して、バッテリ１０２に入力される。これにより、バッテリ１０２の充電を行うことができる。

（４）電界結合式非接触給電システム４０は、１次側スイッチング素子Ｑ１を制御するステータコントローラ９７と、２次側スイッチング素子Ｑ２を制御するロータコントローラ９６（詳細にはインバータ制御部９６ｂ）とを備えている。ステータコントローラ９７は、１次側スイッチング素子Ｑ１を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることによりＥ級インバータＥｉを動作させる。コンバータ制御部９６ａは、２次側スイッチング素子Ｑ２を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることによりＥ級コンバータＥｃを動作させる。

かかる構成において、ステータコントローラ９７及びコンバータ制御部９６ａは、１次側スイッチング素子Ｑ１の立ち上がりタイミングに対して２次側スイッチング素子Ｑ２の立ち上がりタイミングを遅延時間Ｔｄだけ遅延させるものであり、当該遅延時間Ｔｄを変更することにより、電力伝送方向を、正方向又は負方向に切り替える。換言すれば、ステータコントローラ９７及びコンバータ制御部９６ａは、遅延時間Ｔｄを変更することにより、給電態様を、バッテリ１０２から第１電動モータ３１への給電が行われる力行対応給電と、第１電動モータ３１からバッテリ１０２への給電が行われる回生対応給電とに切り替える。かかる構成によれば、遅延時間Ｔｄの変更によって電力伝送方向を切り替えることができるため、力行動作及び回生動作の双方に対応できる。また、電力伝送経路を切り替えるスイッチ等を設けることなく、電力伝送方向を切り替えることができるため、構成の簡素化を図ることができる。

（５）ステータコントローラ９７は、クロック信号ＣＫを用いて１次側スイッチング素子Ｑ１を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせるものであり、且つ、当該クロック信号ＣＫをロータコントローラ９６に送信する。ロータコントローラ９６のコンバータ制御部９６ａは、上記クロック信号ＣＫに基づいて、２次側スイッチング素子Ｑ２の立ち上がりタイミングを１次側スイッチング素子Ｑ１の立ち上がりタイミングよりも遅延時間Ｔｄだけ遅延させる。これにより、１次側スイッチング素子Ｑ１と２次側スイッチング素子Ｑ２とを、別々のクロック信号を用いてＯＮ／ＯＦＦさせる構成と比較して、遅延時間Ｔｄが所望値からずれる事態を抑制できる。

（６）伝送用電力の周波数は、駆動電力の周波数よりも高く設定されている。これにより、第１電動モータ３１を好適に駆動させることができるとともに、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介する非接触の電力伝送を好適に行うことができる。

詳述すると、第１電動モータ３１を駆動させるためには、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介する非接触の電力伝送が行われる伝送用電力の電力値を、ある程度大きく確保する必要がある。この場合、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスを高くすることも考えられるが、上記キャパシタンスを高くしようとすると非接触電力伝送部４４の大型化が懸念される。

一方、第１電動モータ３１を駆動させる駆動電力の周波数は、第１電動モータ３１の回転数や極数等で決まる。このため、仮に伝送用電力を第１電動モータ３１に直接入力させると、第１電動モータ３１が正常に動作しない場合があり得る。

これに対して、本実施形態では、伝送用電力の周波数が駆動電力の周波数よりも高く設定されているため、非接触電力伝送部４４の大型化を抑制しつつ、必要な大きさの伝送用電力をインナーロータ１１に非接触で給電することができ、更に第１電動モータ３１の駆動を好適に行うことができる。

（７）特に、伝送用電力の周波数を規定する両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数と、モータインバータ９４の各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２のスイッチング周波数とは異なっている。詳細には、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数は、各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２のスイッチング周波数よりも高く設定されている。これにより、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介して所望の電力値の電力伝送を実現しつつ、非接触電力伝送部４４の大型化の抑制を図ることができる。

ここで、例えば制御の容易化の観点に着目すれば、各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２のスイッチング周波数を、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数に合わせて高く設定することも考えられる。しかしながら、この場合、各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２のスイッチング損失の増大化が懸念される。これに対して、本実施形態では、各スイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２のスイッチング周波数を両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数よりも低くすることにより、モータインバータ９４のスイッチング損失を抑制できる。

（８）回転電機１０は、インナーロータ１１と、インナーロータ１１に設けられたロータコイル２２を有する交流駆動の第１電動モータ３１と、バッテリ１０２の蓄電電力を伝送用電力に変換する第１変換部としてのステータ変換部４３とを備えている。回転電機１０は、インナーロータ１１の回転に伴って回転しないように保持されたものであって伝送用電力が入力される保持電極７１，７２、及び、インナーロータ１１に設けられたものであって保持電極７１，７２から伝送用電力を非接触で受電する回転電極６１，６２を有する非接触電力伝送部４４を備えている。そして、回転電機１０は、インナーロータ１１に設けられ、回転電極６１，６２によって受電された伝送用電力を直流電力に変換する第２変換部としてのロータ変換部９２を備えている。回転電機１０は、ロータ変換部９２によって変換された直流電力を、第１電動モータ３１が駆動可能な交流の駆動電力に変換して、その駆動電力をロータコイル２２に出力するモータインバータ９４を備えている。

かかる構成によれば、ステータ変換部４３によって蓄電電力が伝送用電力に変換され、その変換された伝送用電力が両結合コンデンサＣ１，Ｃ２を介してインナーロータ１１に伝送される。そして、ロータ変換部９２によって伝送用電力が直流電力に変換され、モータインバータ９４によって上記直流電力が駆動電力に変換される。これにより、蓄電電力を用いて第１電動モータ３１を駆動させることができる。また、インナーロータ１１に、ロータ変換部９２及びモータインバータ９４が設けられているため、伝送用電力の周波数と駆動電力の周波数とを異ならせることができる。そして、伝送用電力の周波数は、駆動電力の周波数よりも高く設定されている。これにより、所望の電力値の伝送用電力の給電を行うのに要する両結合コンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスを低くすることができるため、両結合コンデンサＣ１，Ｃ２の小型化を図ることができる。

（９）特に、本実施形態の回転電機１０は、インナーロータ１１に対して径方向外側に配置され、インナーロータ１１とは個別に回転可能なアウターロータ１２を備えている。第１電動モータ３１は、インナーロータ１１のロータコイル２２とアウターロータ１２の第１永久磁石２４とによって構成されている。この場合、回転するインナーロータ１１に設けられたロータコイル２２に給電する必要が生じる。これに対して、本実施形態では、ロータコイル２２に給電するものとして非接触電力伝送部４４が採用されている。これにより、ダブルロータ型の回転電機１０において、ブラシレス化を図ることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ ロータ変換部９２が共振コイルＬ３を備えていてもよい。詳細には、共振コイルＬ３は、第１回転電極６１と２次側コイルＬ２とを接続する配線上にあってもよい。

○ 負荷４１は、モータインバータ９４及び第１電動モータ３１に限られず、任意である。
○ 結合コンデンサを構成する回転電極と保持電極との具体的な構成は任意である。例えば、両電極は、絶縁部材５２が挿通された円板リング状であってインナーロータ１１の軸線方向に互いに対向する構成であってもよい。

○ Ｅ級インバータＥｉは昇圧又は降圧の電圧値変換を行ってもよい。同様に、Ｅ級コンバータＥｃは昇圧又は降圧の電圧値変換を行ってもよい。
○ 伝送される電力値は遅延時間Ｔｄに応じて変動することに着目して、両コントローラ９６，９７は、遅延時間Ｔｄを変更することにより、伝送される電力値の可変制御を行ってもよい。つまり、遅延時間Ｔｄは、電力値が最大となる回生遅延時間Ｔｄ１又は力行遅延時間Ｔｄ２に限られない。

○ 図７に示すように、ステータ変換部４３は、１次側スイッチング素子Ｑ１に直列接続された第１ダイオードＤ１１と、１次側スイッチング素子Ｑ１及び第１ダイオードＤ１１の直列接続体に並列接続された第２ダイオードＤ１２とを有する構成でもよい。第１ダイオードＤ１１の順方向と１次側スイッチング素子Ｑ１のボディダイオードＤ１の順方向とは互いに逆向きとなっている。第２ダイオードＤ１２は、第１ダイオードＤ１１とは順方向が逆になるように設けられている。

同様に、ロータ変換部９２は、２次側スイッチング素子Ｑ２に直列接続された第３ダイオードＤ２１と、２次側スイッチング素子Ｑ２及び第３ダイオードＤ２１の直列接続体に並列接続された第４ダイオードＤ２２とを有する構成でもよい。

かかる構成によれば、ボディダイオードＤ１，Ｄ２の整流効率の悪さに起因する変換効率の低下を抑制でき、電界結合式非接触給電システム４０の効率向上を図ることができる。但し、部品点数の点に着目すれば、実施形態の構成の方が好ましい。

○ ステータ変換部とロータ変換部とは、同一の回路構成に限られず、異なる回路構成であってもよい。例えば両変換部のうちいずれか一方に、双方向に電流を流すことができる双方向スイッチ回路を設けてもよい。

○ スイッチング素子は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴに限られず、ＩＧＢＴ等任意である。
○ 結合コンデンサの数は任意であり、例えば互いに並列接続された複数の結合コンデンサを用いて非接触の電力伝送を行ってもよい。

○ 直流電源はバッテリ１０２であったが、これに限られず、充放電が可能な蓄電装置であれば、任意であり、例えば電気二重層キャパシタ等でもよい。
○ 電界結合式非接触給電システム４０が適用される回転電機１０は、コイルが設けられたロータを少なくとも１つ有していればよい。例えば、回転電機は、１つのロータとステータとを有する構成であってもよい。また、回転電機は、ステータ１３が省略され、２つのロータを有する構成であってもよい。

○ 回転電機１０は、ハイブリッドトランスアクスルに用いられていたが、他の用途に用いられてもよい。また、車両は、エンジンと蓄電装置とを有する車両に限られず任意である。

○ 電界結合式非接触給電システム４０の適用対象は、回転電機に限られず、任意であり、例えば携帯電話等の蓄電装置が搭載された端末の充電に適用してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる好適な一例について以下に記載する。

（イ）ロータと、前記ロータに設けられたロータコイルを有する交流駆動の電動モータと、を備えている回転電機において、蓄電装置に蓄電されている直流の蓄電電力を予め定められた周波数の交流電力に変換する第１変換部と、前記ロータの回転に伴って回転しないように保持されたものであって前記交流電力が入力される送電部、及び、前記ロータに設けられたものであって前記送電部から前記交流電力を非接触で受電する受電部を有する非接触電力伝送部と、前記ロータに設けられ、前記受電部によって受電された交流電力を直流電力に変換する第２変換部と、前記ロータに設けられ、前記第２変換部によって変換された前記直流電力を、前記電動モータが駆動可能な交流の駆動電力に変換して、その前記駆動電力を前記ロータコイルに出力するモータインバータと、を備え、前記交流電力の周波数は、前記駆動電力の周波数よりも高いことを特徴とする回転電機。

上記構成に着目した場合、非接触給電の方式は電界結合方式に限られず、例えば磁界共鳴方式や電磁誘導方式等であってもよい。詳細には、送電部は１次側コイルであり、受電部は２次側コイルでもよい。また、ステータ変換部４３及びロータ変換部９２は、直流電力と伝送用電力との双方向変換が可能に構成されていれば、その具体的な回路構成は任意であり、鏡面対称となっていなくてもよいし、Ｅ級動作条件を満たさなくてもよい。

なお、上記構成に対応する課題は以下のとおりである。
回転するロータに設けられたロータコイルを有する交流駆動の電動モータを備えた回転電機が知られている。当該回転電機は、ロータコイルに給電を行うために例えばブラシを有するスリップリングを備えている。当該スリップリングは、ブラシが摺動する特性上、ブラシの摩耗等といった不都合が懸念される。これに対して、本発明者らは、電界結合式非接触給電システムを用いてロータコイルへの給電を行うことに着目した。この場合、電界結合式の非接触の電力伝送と電動モータの駆動とを両立させる必要が生じる。このため、上記構成に係る目的は、ロータに設けられたロータコイルへの給電のブラシレス化を図りつつ、電界結合式の非接触の電力伝送と電動モータの駆動とを好適に行うことができる回転電機を提供することである。

（ロ）前記第１変換部は、１次側スイッチング素子を有し、当該１次側スイッチング素子が周期的にＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記蓄電電力を前記交流電力に変換するものであり、前記第２変換部は、２次側スイッチング素子を有し、当該２次側スイッチング素子が周期的にＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記交流電力を前記直流電力に変換するものであり、前記モータインバータは、複数のスイッチング素子を有しており、当該各スイッチング素子が周期的にＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記直流電力を前記駆動電力に変換するものであり、前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子のスイッチング周波数は、前記モータインバータの前記複数のスイッチング素子のスイッチング周波数よりも高く設定されている（イ）に記載の回転電機。

（ハ）ロータに設けられた回転電極と、前記回転電極と対向する位置に設けられ且つ前記ロータの回転に伴って回転しないように保持された保持電極とで構成される結合コンデンサを備え、当該結合コンデンサを介して非接触で給電が可能な電界結合式非接触給電システムにおいて、前記ロータの回転に伴って回転しないように保持されたものであって、直流電力と予め定められた周波数の交流電力との双方向変換が可能な第１変換部と、前記ロータに設けられたものであって、前記交流電力と直流電力との双方向変換が可能な第２変換部と、を備え、前記交流電力が結合コンデンサを介して非接触で伝送されるものであることを特徴とする電界結合式非接触給電システム。

１０…回転電機、１１…インナーロータ、１２…アウターロータ、１３…ステータ、２２…ロータコイル、３１…第１電動モータ、３２…第２電動モータ、４０…電界結合式非接触給電システム、４１…負荷、４２…電子ユニット、４３…ステータ変換部、４４…非接触電力伝送部、６１，６２…回転電極、７１，７２…保持電極、９２…ロータ変換部、９４…モータインバータ、９６…ロータコントローラ、９６ａ…コンバータ制御部、９６ｂ…インバータ制御部、９７…ステータコントローラ、９８…直列共振回路、９９…電圧センサ、１００…車両、１０２…バッテリ（直流電源）、Ｃ１，Ｃ２…結合コンデンサ、Ｌ１…１次側コイル、Ｌ２…２次側コイル、Ｌ３…共振コイル、Ｑ１…１次側スイッチング素子、Ｑ２…２次側スイッチング素子、Ｃｓ１…１次側シャントキャパシタ、Ｃｓ２…２次側シャントキャパシタ、Ｅｉ…Ｅ級インバータ、Ｅｃ…Ｅ級コンバータ、ＣＫ…クロック信号、Ｔｄ…遅延時間。

Claims (5)

1. 直流電源から出力される直流の電源電力を、結合コンデンサを介して非接触で負荷に給電する電界結合式非接触給電システムにおいて、
   前記電源電力を予め定められた周波数の交流電力に変換するＥ級インバータと、
   前記交流電力を直流電力に変換するＥ級コンバータと、
   を備え、
   前記Ｅ級インバータは、
   前記直流電源に直列接続された１次側コイルと、
   前記直流電源に並列接続された１石の１次側スイッチング素子と、
   前記１次側スイッチング素子に並列接続された１次側シャントキャパシタと、
   を有し、
   前記Ｅ級コンバータは、
   前記負荷に直列接続された２次側コイルと、
   前記負荷に並列接続された１石の２次側スイッチング素子と、
   前記２次側スイッチング素子に並列接続された２次側シャントキャパシタと、
   を有し、
   前記電界結合式非接触給電システムは、前記結合コンデンサと直列接続されたものであって前記結合コンデンサと協働して直列共振回路を構成する共振コイルを備え、
   前記直列共振回路は、前記１次側シャントキャパシタと前記２次側シャントキャパシタとの間に設けられており、前記Ｅ級インバータの一部を構成しているとともに前記Ｅ級コンバータの一部を構成していることを特徴とする電界結合式非接触給電システム。
2. 前記結合コンデンサは、
   ロータに設けられた回転電極と、
   前記回転電極と対向している位置に設けられ、前記ロータの回転に伴って回転しないように保持された保持電極と、
   で構成されている請求項１に記載の電界結合式非接触給電システム。
3. 前記直流電源は、充放電が可能な蓄電装置であり、
   前記負荷は、
   交流駆動の電動モータと、
   直流電力が入力された場合には当該直流電力を前記電動モータが駆動可能な交流の駆動電力に変換し、前記電動モータにて交流の回生電力が発生した場合には当該交流の回生電力を直流の回生電力に変換するモータインバータと、
   を含む請求項１又は請求項２に記載の電界結合式非接触給電システム。
4. 前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記１次側スイッチング素子を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることにより、前記Ｅ級インバータを動作させ、前記２次側スイッチング素子を周期的にＯＮ／ＯＦＦさせることにより、前記Ｅ級コンバータを動作させるものであり、
   前記制御部は、前記１次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングに対して前記２次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングを遅延時間だけ遅延させるものであり、当該遅延時間を変更することにより、電力伝送方向を、前記蓄電装置から前記負荷に向かう第１方向、又は、前記負荷から前記蓄電装置に向かう第２方向に切り替える請求項３に記載の電界結合式非接触給電システム。
5. 前記交流電力の周波数は、前記駆動電力の周波数よりも高く設定されている請求項４に記載の電界結合式非接触給電システム。

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