JP2017229231A - 電磁波漏洩防止装置および無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送する際の電磁波の漏れを抑制する。【解決手段】本発明の実施形態としての電磁波漏洩防止装置は、金属管と、開口部と、磁性体部とを備える。前記金属管は、対向配置された他電力伝送装置と電磁波を用いて無線電力伝送を行う第１電力伝送装置の周囲を囲むように形成されている。前記開口部は、前記金属管の周方向に沿って前記金属管に開口されている。前記磁性体部は、前記金属管の周方向に沿って前記金属管内に配置されている。【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、電磁波漏洩防止装置および無線電力伝送システムに関する。

電気自動車などに対して、無線で電力を伝送するシステムがある。当該システムでは、無線電力伝送する際、電磁波の一部が周囲に漏れてしまい、伝送効率が低下する問題があった。関連技術として、ブラシ状の導電体を配置することで、電波の漏れを防ぐ技術が知られている。

特許第4865451号

この発明の実施形態は、電力伝送する際の電磁波の漏れを抑制することを目的とする。

本発明の実施形態としての電磁波漏洩防止装置は、金属管と、開口部と、磁性体部とを備える。

前記金属管は、対向配置された他電力伝送装置と電磁波を用いて無線電力伝送を行う第１電力伝送装置の周囲を囲むように形成されている。

前記開口部は、前記金属管の周方向に沿って前記金属管に形成されている。

前記磁性体部は、前記金属管の周方向に沿って前記金属管内に形成されている。

第１の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置を備えた無線電力伝送システムを示す斜視図。 図１のＡ１−Ａ２線の位置での電磁波漏洩防止装置の断面図。 第１の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置の変形例を示す図。 第１の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置の別の変形例を示す図。 電磁波の漏れが減少する原理を説明するための図。 伝搬経路の長さの条件を説明するための図。 第１の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置のさらに別の変形例を示す図。 第１の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置のさらに別の変形例を示す図。 第２の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置の構成例を示す断面図。 第２の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置の他の構成例を示す断面図。 第２の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置のさらに他の構成例を示す断面図。 第３の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置を備えた無線電力伝送システムを示す斜視図。 図１２のＢ１−Ｂ２２線の位置での電磁波漏洩防止装置の断面図。 第３の実施形態に係るシミュレーションを行う装置構成を示す図。 従来における電力伝送時の送電装置の近傍磁界分布を示す図。 第３の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置を用いた場合の送電装置の近傍磁界分布を示す図。 第３の実施形態の効果を説明するためのグラフを示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１に、第１の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置を備えた無線電力伝送システムの斜視図を示す。図２に、図１のＡ１−Ａ２線の位置における電磁波漏洩防止装置の断面図を示す。Ａ１−Ａ２線以外の位置における断面図も図２と同様である。

本電磁波漏洩防止装置は、無線電力伝送システムの電力伝送装置（送電装置あるいは受電装置）に対して設けられ、電力伝送時に、電磁波が電力伝送装置の周囲に漏れるのを抑制する。電磁波漏洩防止装置を配置する電力伝送装置は、送電装置でも、受電装置でもよいが、ここでは、送電装置に対して配置する場合を示す。

地板（設置面）３０１上に、送電装置２０１が配置されている。送電装置２０１は、対向配置された受電装置（図５参照）と、電磁波により無線電力伝送を行う。たとえば、送電装置２０１が送電コイル、受電装置が受電コイルを有し、送電コイルおよび受電コイル間の磁気結合により、電力伝送を行う。地板３０１は、有限の導体地板でもよいし、地面でもよい。

送電装置２０１に対し、電磁波漏洩防止装置が地板３０１上に配置されている。電磁波漏洩防止装置は、全体として送電装置２０１の周囲を囲む形状を有する。電磁波漏洩防止装置の全部または一部が、地中に埋められてもよい。本電磁波漏洩防止装置は、送電装置および受電装置間の電力伝送の際に、周囲（たとえばｘｙ軸平面に平行な方向）に、電磁波が漏れるのを阻止するよう機能する。地板３０１が導体板の場合、電磁波漏洩防止装置が導体板上に配置されることで、本装置による地表上での漏洩防止機能に加え、地面側から、電磁波の漏れを防ぐことができる。なお、導体板は、平板状でなく、ネット状、線状、螺旋状でもよい。また、導体板と電磁波漏れ防止装置が一体構成でもよい。

電磁波漏洩防止装置は、送電装置を囲うように形成された金属部（金属管）１０１と、金属管１０１の周方向に沿って金属管１０１内に形成された磁性体部１０３とを備える。
また、金属管１０１には、金属管１０１の周方向に沿って開口部１０２が形成されている。

ｚ軸方向から見た電磁波漏洩防止装置の全体の形、すなわち、ｚ軸方向から見た金属管１０１の形は、四角状のリングである。ただし、金属管１０１、開口部１０２、磁性体部１０３のリングの形は四角状に限定されず、多角形状、円状、楕円状など、他の形状でもよい。

図２に示すように、金属管１０１は、表面部１２１と、裏面部１２２と、内側側面部１２３と、外側側面部１２４とを備える。裏面部１２２は、表面部１２１に対し受電装置（他電力伝送装置）と反対側に配置され、表面部１２１に対向する。内側側面部１２３は、表面部１２１の一端側と裏面部１２２の一端側間に形成されており、送電装置２０１の周囲を囲んでいる。外側側面部１２４は、表面部１２１の他端側と裏面部１１の他端側間に形成されており、内側側面部１２３を隔てて、送電装置２０１の周囲を囲んでいる。開口部１０２は、表面部１２１に形成されている。金属管１０１内には、平板状の磁性体である磁性体部１０３が配置される。磁性体部１０３は、管路内を埋めるように、管路の周方向に沿って形成されている。内側側面部１２３および外側側面部１２４間の長さ（幅）は、表面部１２１および裏面部１２２間の長さ（厚み）より大きい。

なお、開口部１０２には、図３に示すように誘電体１５１が形成されてもよい。誘電体１５１により、金属管１０１の内部を保護できる。また図４に示すように、装置全体、すなわち金属管１０１の全体を、誘電体１６１で覆ってもよい。これにより、カバーとして、本装置の保護が可能となる。

図５を用いて、本電磁波漏洩防止装置により、電磁波の漏れが減少する原理を説明する。

図５は、地面３０１に配置された送電装置２０１から、車両（車体）４０１の受電装置４０２に電力を伝送する場合の動作を示している。なお、図２では、開口部１０２が管内空間の左端からオフセットされた位置に形成されていたが、図５の例では、開口部が左端に形成されている。

地面３０１に配置された送電装置２０１から、車両４０１に配置された受電装置４０２に電力を伝送する際に、電磁波の一部が周囲に漏れ出る。地面３０１と車両４０１は一種の平行平板として動作し、地面３０１に垂直方向に電界成分を持つ電磁波（ＴＥＭ波）が地面３０１に平行に伝搬され、周囲の空間に漏れ出る。この電磁波の一部が、電磁波漏洩防止機構の開口部と結合し、金属管内へ入射される。入射された電磁波は、磁性体１０３の内部を伝搬する。金属管内に磁性体１０３が存在することにより、電磁波は小さい隙間（開口部）であっても多くの電磁波が開口部に結合することができる。磁性体１０３内を伝搬した電磁波は、金属管の端部（外側側面部１２４）で反射し、その電磁波が開口部から再放射される。

ここで、図６に示すように、開口部から入射し、磁性体部１０３の内部を伝搬し、外側側面部１２４の内壁で反射するまでの伝搬経路をＤ１とする。また、外側側面部１２４で反射した電磁波が磁性体部１０３の内部を伝搬し、開口部から再出射されるまでの伝搬経路をＤ２とする。Ｄ１とＤ２を合わせた全体の伝搬経路をＴ１とする。伝搬経路Ｄ１、Ｄ２の長さは等しいとする。このとき、伝搬経路Ｄ１の長さが、磁性体部１０３の比透磁率による波長短縮効果を考慮して、管内波長の略１／４の場合、開口部から再放射した電磁波は、送電装置から漏れ出した電磁波に対して、１８０度位相がずれ、図５に示すように、位相的に打ち消し合う。これにより、漏洩電磁波が減少され、高い伝送効率を得ることができる。

換言すれば、全体の伝搬経路Ｔ１の距離が、管内波長の略１／２の場合、位相の打ち消しにより、漏洩電磁波が減少する。

比透磁率による波長短縮効果を考慮した管内波長の１／４程度の経路Ｄ１を確保するには、電磁波の周波数（電力伝送装置の動作周波数）を１００ｋＨｚ、波長を３ｋｍとすると、比透磁率が１０万程度の電磁鋼板を用いた場合、管路内幅Ｗ１（図６参照）は、２．４ｍ程度である。なお、管路内幅Ｗ１は、伝搬経路Ｄ１の長さにほぼ等しいとみなしている。

伝搬経路Ｄ１の長さは、管内波長の１／４程度でなくても、管内波長の１／８以上かつ３／８以下であれば、漏れた電磁波が、開口部から再放射された電磁波と位相的に打ち消す効果が得られる。このため、伝搬経路Ｄ１の距離（あるいは管路内幅Ｗ１）は、管内波長の１／８以上かつ３／８以下であればいい。より一般的に、開口部から入射して再出射されるまでの管内の伝搬経路の全長は、管内波長の１／４以上かつ３／４以下であればよい。

ここで、図２に示したように開口部の位置が管内空間の左端からオフセットされている場合は、２つの伝搬経路が主に存在すると考えることができる。１つ目は、開口部から入射した電磁波が内側側面部１２３へ伝搬し、内側側面部１２３で反射して開口部から再出射される経路、２つ目は、図５に示したような、外側側面部１２４へ伝搬し、外側側面部１２４で反射して開口部から再出射される経路である。このように複数の伝搬経路が存在する場合は、これらの経路のうち、最も長い経路が上記の波長の条件を満足すればよい。
図２の例では、最も長い経路は、後者の経路、すなわち、外側側面部１２４へ伝搬し、外側側面部１２４で反射して開口部から再出射される経路である。

また、これまで示した構成例では、磁性体部は、管内全体を埋めるように配置されていたが、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように管内に一部、隙間が空くように磁性体部１０３Ａ、１０３Ｂが配置されてもよい。また、図７（Ｃ）に示すように、誘電体１７２などを管内に充填し、磁性体部１０３Ｃの全体を誘電体１７２が覆うようにしてもよい。
これらの構成は一例に過ぎず、種々の変形が可能である。

なお、図１に示した電磁波漏洩防止装置は物理的に一体に形成されてもよいし、図８に示すように、電磁波漏洩防止装置を複数のブロック１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８に分割し、これらのブロックを並べることで形成されてもよい。隣り合うブロック間には隙間が生じないことが望ましいが、波長の1/100程度までの十分に小さい隙間ならば、問題ない。なお、隣り合うブロック同士がそれぞれ結合する部分の面は、誘電体で覆われてもよい。ただし、当該面は、金属で覆われてはならない。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置の構成例を示す断面図である。本実施形態の電磁波漏洩防止装置の外観は図１と同様であり、図１のＡ１−Ａ２線に相当する位置での断面図が図９に示される。

金属部（金属管）１０１内に、周方向に沿って金属板１２５が形成されている。金属板１２５の一端は、内側側面部１２３の内壁の中央付近に結合されており、他端は開放されている。金属板１２５によって、管路内に、内側側面部および外側側面部間で折り返される蛇行状の経路が形成される。磁性体部１１３は、蛇行状の経路を埋めるように形成され、結果として、折り曲げた構造を有している。なお、磁性体部１１３は第１の実施形態と同様、管路の周方向に沿って形成されている。管内に蛇行状の経路を形成することよって、装置の小型化、あるいは小面積化が可能となる。

伝搬経路Ｔ１１は、開口部１０２から入射した電磁波が管内を伝搬して開口部１０２から再出射されるまでの経路である。伝搬経路Ｔ１１の長さは、管内波長の１／２程度であることが望ましく、管内波長の１／４以上かつ３／４以下であればよい。一構成例として、開口部１０２から内側側面部１２３および外側側面部１２４のうちの一方（図９の例では外側側面部１２４）までの長さと、内側側面部１２３および外側側面部１２４間の長さとの合計長は 、管内波長の１／８以上かつ３／８以下でもよい。

金属板１２５の他端が、外側側面部１２４の内壁に結合され、金属板１２５の一端が開放されてもよい。あるいは、金属板１２５の一端および他端とも開放され、金属板１２５が磁性体部１１３の内部に埋め込まれてもよい。

図１０は、第２の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置の他の構成例を示す断面図である。図９の構成との違いは、管内に配置される金属板が１個から３個に増えている点である。金属板１２８、１２６の一端は、内側側面部１２３に結合され、他端は開放されている。金属板１２７の一端は外側側面部１２４に結合され、他端は開放されている。これらの金属板により、図９の場合よりも、折り返し回数が増えた蛇行状の経路が形成される。磁性体部１３３は、蛇行状の経路を埋めるように形成され、結果として、折り曲げられた構造を有する。一構成例として、開口部１０２から内側側面部１２３および外側側面部１２４のうちの一方（図９の例では外側側面部１２４）までの長さと、内側側面部１２３および外側側面部１２４間の長さの３倍との合計長は 、管内波長の１／８以上かつ３／８以下でもよい。より一般的に、折り返し回数Ｎ（Ｎは整数）に応じて、開口部１０２から内側側面部１２３および外側側面部１２４のうちの一方までの長さと、内側側面部１２３および外側側面部１２４間の長さのＮ倍との合計長は 、管内波長の１／８以上かつ３／８以下でもよい。

図１０の構成を採用することで、図９の構成よりも一層小型化が可能となる。

図１１に、第２の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置のさらに他の構成例を示す断面図である。金属管（金属部）７０１は、表面部７１１、裏面部７１２、内側側面部７１３および外側側面部７１４を備える。金属管７０１内に、金属板７２１、７２２、７２３、７２４が配置されている。金属板７２１、７２３の一端が、表面部７１１の内壁に結合され、他端は開放されている。金属板７２２、７２４の一端が裏面部７１２の内壁に結合され、他端が開放されている。これらの金属板により、表面部および裏面部間で複数回折り返される蛇行経路が形成される。磁性体部７０３は、蛇行経路を埋めるように形成され、結果として、折り曲げた構造を有している。本構成によっても、装置の小型化が可能となる。

（第３の実施形態）
図１２は、第３の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置を備えた無線電力伝送システムの斜視図である。図１３は、図１２のＢ１−Ｂ２２線の位置での断面図である。

第１の実施形態では電磁波漏洩装置は地板（設置面）３０１上に配置され、全体として平坦な形状を有していた。これに対して、本実施形態では、装置の一部が地中に埋め込まれており、全体として、Ｚ軸方向に延びた形状を有している。地中に埋め込まれた部分は、点線によって表されている。

金属部（金属管）５０１は、金属製の角チューブの両端を互いに結合してリング状にしたような構造を有する。金属管５０１は、図１３に示すように、表面部５１１、裏面部５１２、内側側面部５１３、外側側面部５１４を備える。表面部５１１には、開口部５０２が、金属管５０１の周方向に沿って形成されている。また、磁性体部５０３が、金属管５０１の周方向に沿って、金属管５０１内に形成されている。磁性体部５０３は、管路内の全体を埋めるように形成されている。ただし、第１の実施形態と同様に、管路内の一部に空間や誘電体が存在してもよい。

伝搬経路Ｔ２１は、開口部５０２に入射した電磁波が管路内を伝搬して再出射されるまでの経路である。伝搬経路Ｔ２１の長さは、管内波長の１／２程度であることが望ましく、管内波長の１／４以上かつ３／４以下であればよい。

図１４、図１５、図１６、図１７を用いて、第３の実施形態に係る電磁波漏洩防止装置の動作のシミュレーションを説明する。

図１４は、送電装置６２０に対し、第３の実施形態にかかる電磁波漏洩防止装置（金属部６０１、開口部６０２、磁性体部６０３）が配置された状態を示す。本電磁波漏洩防止装置の構造は図１２と同様であるため、詳細な説明を省略する。送電装置６２０は、送電コイルおよび電力生成部等を含む。図では簡単のため、送電コイルの絵によって、送電装置６２０が表記されている。受電装置６３１が車体に配置され、受電装置６３１が送電装置と対向するように車体が駐車される状況を想定する。車体は、車体を模擬した導体６３０によって表されている。送電装置６２０から受電装置６３１に伝送された電力は、たとえば車体内の蓄電池に蓄積される。

比透磁率100,000、磁性体部の幅10cm（図１４のＸ１）、1.4m角（図１４のＸ２）、厚み（図１４のＸ３）2.4mとする。このとき、周波数100kHzで、本装置による電磁波漏洩防止効果を、電磁界シミュレータで解析する。

図１６は、図１４の構成でシミュレーションして得られた送電装置６２０の近傍磁界分布を示す。図１５は、図１４の構成から電磁波漏洩防止装置を除去した構成でシミュレーションを行った場合の送電装置の近傍磁界分布を示す。図１７は、図１６および図１５で示される分布をそれぞれグラフ表示して示したものである。横軸がＹ軸方向の位置、縦軸が磁界強度を示す。Ｙ軸の値が０の位置を、送電装置の配置位置としている。これらのグラフを比較すると、送電装置の周囲に漏れる電磁波が大幅に減少していることが確認できる。

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。

Claims (14)

1. 対向配置された他電力伝送装置と電磁波を用いて無線電力伝送を行う第１電力伝送装置の周囲を囲むように形成された金属管と、
   前記金属管の周方向に沿って前記金属管に開口された開口部と、
   前記金属管の周方向に沿って前記金属管内に形成された磁性体部と、
   を備える電磁波漏洩防止装置。
2. 前記電磁波の一部が前記開口部から入射され、前記金属管内での伝搬と反射により前記開口部から再出射され、
   前記開口部への入射から再出射までの前記金属管内での電磁波の最長の伝搬経路の長さは、管内波長の１／４以上かつ３／４以下である
   請求項１に記載の電磁波漏洩防止装置。
3. 前記金属管は、前記開口部が形成された第１面、前記第１面と対向する第２面、前記第１面の一端と前記第２面の一端との間に形成された第３面、前記第１面の他端と前記第２面の他端との間に形成された第４面とを有し、
   前記金属管の第３面および前記金属管の第４面間の距離は、前記金属管の第１面および第２面間の距離よりも長く、
   前記開口部から前記第３面および前記第４面までの電磁波の伝搬経路のうち長い方の長さは、管内波長の１／８以上かつ３／８以下である
   請求項１または２に記載の電磁波漏洩防止装置。
4. 前記金属管は、前記開口部が形成された第１面、前記第１面と対向する第２面、前記第１面の一端と前記第２面の一端との間に形成された第３面、前記第１面の他端と前記第２面の他端との間に形成された第４面とを有し、
   前記金属管の第３面および前記金属管の第４面間の距離は、前記金属管の第１面および第２面間の距離よりも長く、
   前記開口部から前記第３面までの長さまたは前記開口部から前記第４面までの長さのうち長い方の長さは、管内波長の１／８以上かつ３／８以下である
   請求項１または２に記載の電磁波漏洩防止装置。
5. 前記金属管は、前記開口部が形成された第１面、前記第１面と対向する第２面、前記第１面の一端と前記第２面の一端との間に形成された第３面、前記第１面の他端と前記第２面の他端との間に形成された第４面とを有し、
   前記第１面および第２面間の距離は、前記第３面および前記第４面間の距離よりも長く、
   前記開口部から前記第２面までの電磁波の伝搬経路の長さが、管内波長の１／８以上かつ３／８以下である
   請求項１または２に記載の電磁波漏洩防止装置。
6. 前記金属管は、前記開口部が形成された第１面、前記第１面と対向する第２面、前記第１面の一端と前記第２面の一端との間に形成された第３面、前記第１面の他端と前記第２面の他端との間に形成された第４面とを有し、
   前記第１面および第２面間の距離は、前記第３面および前記第４面間の距離よりも長く、
   前記開口部から前記第２面までの長さが、管内波長の１／８以上かつ３／８以下である
   請求項１または２に記載の電磁波漏洩防止装置。
7. 前記金属管内に、前記金属管の周方向に沿って少なくとも１つの金属板が配置され、前記金属板により前記金属管内に蛇行状の伝搬経路が形成される
   請求項１または２に記載の電磁波漏洩防止装置。
8. 前記金属管は、前記開口部が形成された第１面、前記第１面と対向する第２面、前記第１面の一端と前記第２面の一端との間に形成された第３面、前記第１面の他端と前記第２面の他端との間に形成された第４面とを有し、
   前記金属管の第３面および前記金属管の第４面間の距離は、前記金属管の第１面および第２面間の距離よりも長く、
   前記開口部から前記第３面および前記第４面のいずれか一方までの長さと、前記第３面および前記第４面間の長さの整数倍との合計長は、管内波長の１／８以上かつ３／８以下である
   請求項７に記載の電磁波漏洩防止装置。
9. 前記金属管は、前記開口部が形成された第１面、前記第１面と対向する第２面、前記第１面の一端と前記第２面の一端との間に形成された第３面、前記第１面の他端と前記第２面の他端との間に形成された第４面とを有し、
   前記金属板の一端が前記金属管の第３面または前記金属管の第４面に結合され、前記金属板の他端が開放された
   請求項７に記載の電磁波漏洩防止装置。
10. 前記金属管は、前記開口部が形成された第１面、前記第１面と対向する第２面、前記第１面の一端と前記第２面の一端との間に形成された第３面、前記第１面の他端と前記第２面の他端との間に形成された第４面とを有し、
    前記金属板の一端が前記金属管の第１面または前記金属管の第２面に結合され、前記金属板の他端が開放された
    請求項７に記載の電磁波漏洩防止装置。
11. 前記磁性体部は、前記蛇行状の伝搬経路に沿って形成された
    請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の電磁波漏洩防止装置。
12. 対向配置された他電力伝送装置と電磁波を用いて無線電力伝送を行う第１電力伝送装置の周囲を囲むように形成された金属管と、
    前記金属管の周方向に沿って前記金属管に開口された開口部 と、
    前記金属管の周方向に沿って前記金属管内に形成された磁性体部と、
    を備え、
    前記金属管は、前記開口部と対向する第２面、前記開口部と前記第２面の一端との間に形成された第３面、前記開口部と前記第２面の他端との間に形成された第４面とを有し、 前記開口部と前記第２面との間の距離は、前記開口部から前記第３面の距離と前記第４面との間の距離よりも長く、前記開口部から前記第２面までの長さは、管内波長の１／８以上かつ３／８以下であること特徴とする
    電磁波漏洩防止装置。
13. 導体板の上に配置されたことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の電磁波漏洩防止装置。
14. 請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の前記第１の電力伝送装置と、
    請求項１ないし１３のいずれか一項に従った電磁波漏洩防止装置と
    を備えた無線電力伝送システム。