JP2018014405A - 可変インダクタンス装置および非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】可変インダクタンス装置を備えてる非接触給電システムを提供する。【解決手段】可変インダクタンス装置１００は、一つの巻回軸Ｃ１周りに巻回された主巻線１０と、主巻線に接続されたキャパシタ１１と、巻回軸の軸方向の片側において主巻線に対向して配置され、主巻線に沿った環状の第１磁性体１２と、第１磁性体に対して絶縁された状態で第１磁性体に沿って巻回された第１制御巻線１３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、可変インダクタンス装置および非接触給電システムに関する。

可変インダクタンス装置は、例えば、非接触給電システムの給電側の装置に用いられる。非接触給電システムの給電側の装置に関し、特許文献１には、車両の非接触給電について言及されている。この中で、「車両は必ずしも目標駐車位置に正確に駐車されるとは限らず、車両の駐車位置が目標駐車位置からずれてしまう可能性がある。この場合、一次側コイルと二次側コイルとの相対的な位置がずれることで、一次側コイルを含む共振回路及び二次側コイルを含む共振回路の共振特性が変化し、所望の動作を行うことができない虞がある。そして、上記従来例は、電源部から供給される交流電力の周波数（動作周波数）が、位置ずれによって変化した共振特性におけるどの周波数領域に位置するかを判定することができない」との問題が挙げられている。これについて、同公報には、「動作周波数が共振特性におけるどの周波数領域に位置するかを判定する」ことが提案されており、具体的には、判定結果に基づいてインバータ開路の動作周波数を調整することが開示されている。ここで、一次側コイルは、給電コイルとも称されうる。二次側コイルは、受電コイルとも称されうる。

特許文献２には、巻線用コアの外周部に、巻線用コアの軸回り方向に巻回された第１巻線と、巻線用コアの貫通孔を通して巻線用コアの軸方向にトロイダルコイル状に巻回された第２巻線と、を有する直交磁束型可変インダクタンストランスが開示されている。同公報で開示された直交磁束型可変インダクタンストランスでは、各巻線によって形成される磁束が、互いに直交するものとなり、互いに磁気結合しないものとなる。また、ドラム状の巻線用コアにおける磁気的な飽和を用いることにより、第１巻線の電流による第２巻線のインダクタンスの可変制御を実現する、とされている。

特許文献３には、作用コアと、共に作用コアと同形状をなすとともに磁路に空隙を有し、作用コアの上、下部に配置された制御コアを備えた構造が開示されている。作用コアには、電力回路に接続され作用コア内で閉じた磁路を形成するとともに、制御コアの空隙に近接して設けられ、電力回路において可変インダクタンスを構成する作用コイルが設けられている。制御コアには作用コイルが形成する磁路と直交して、上部制御コア、作用コア、下部制御コアを環流する磁路を形成する制御コイルが設けられている。この制御コイルに接続された制御電源から所定の電流パターンで通電されることにより、作用コイルのインダクタンスが可変する、とされている。

特許文献４には、一次側コイルと二次側コイルにおいて各々３枚で構成された鉄芯が機械的にスライドする構造が開示されている。

特開２０１６−３４２１４号 特開２００１−６９４２号公報 特開２００７−１２３６７１号公報 特開２０１２−９９６４４号公報

鉄心を使用しない非接触給電では、一対の空芯コイルを疎結合の状態で、コイルに接続したコンデンサと、コイルのインダクタンスとを共振させるもので、疎結合状態時に高効率で非接触給電を可能にする方法である。コイル間距離が変化すれば結合係数が変化し、出力が低下し使用することができない場合がある。例えば、車両に搭載された二次側コイルを通じて、非接触給電を行なう場合、一次側コイルと、二次側コイルの相対的な位置関係が、都度、変わる場合がある。ここでは、このような問題を解決しうる新規な可変インダクタンス装置を提案する。

ここで提案される可変インダクタンス装置は、一つの巻回軸周りに巻回された主巻線と、主巻線に接続されたキャパシタと、巻回軸の軸方向の片側において主巻線に対向して配置され、主巻線に沿った環状の第１磁性体と、第１磁性体に対して絶縁された状態で第１磁性体に沿って巻回された第１制御巻線とを備えている。

この可変インダクタンス装置によれば、第１制御巻線に直流電流が流されることによって、第１磁性体を透過する主巻線からの磁束が制御できる。

ここで、主巻線の巻線は、巻回軸に直交する平面に沿って巻回されていてもよい。これによって、主巻線を薄型化でき、可変インダクタンス装置の厚さを小さく抑えることができる。主巻線は磁性体からなる芯を備えていてもよい。

可変インダクタンス装置は、主巻線およびキャパシタに電気的に接続された交流電源と、第１制御巻線に接続された第１直流電源と、第１直流電源を制御する制御装置とを備えていてもよい。
この場合、主巻線とキャパシタとによって構成された共振回路の共振状態を検知する検知部を備えていてもよい。この場合、制御装置は、検知部で共振状態が検知されるように、第１直流電源から第１制御巻線に流される電流の電流値を制御するように構成されているとよい。

また、可変インダクタンス装置は、第１磁性体とは反対側において主巻線に対向して配置され、主巻線に沿った環状の第２磁性体と、第２磁性体に対して絶縁された状態で前記第２磁性体に沿って巻回された第２制御巻線とを備えていてもよい。

この場合、主巻線に接続された交流電源と、第１制御巻線に接続された第１直流電源と、第２制御巻線に接続された第２直流電源と、第１直流電源と前記第２直流電源を制御する制御装置とを備えていてもよい。この場合、主巻線とキャパシタとによって構成された共振回路の共振状態を検知する検知部を備えていてもよい。そして、制御装置は、検知部で共振状態が検知されるように、第１直流電源から第１制御巻線に流される電流の電流値を制御する。さらに、主巻線の自己インダクタンスが変化しないように、第２直流電源から第２制御巻線に流される電流の電流値を制御するように構成されているとよい。つまり、制御装置は、主巻線のインダクタンスが変化しないように第２制御巻線に流す電流を制御する。かかる制御によって、第１制御巻線に電流が流されても主巻線のインダクタンスの変化が小さく抑えられる。

ここで提案される非接触給電システムは、上述した可変インダクタンス装置を備えているとよい。この場合、可変インダクタンス装置の主巻線が、給電ユニットの一次側コイルとして用いられているとよい。

図１は、ここで提案される可変インダクタンス装置の一実施形態を模式的に示す側面図である。 図２は、車両を充電する用途に用いられる非接触給電システム１０００を模式的に示す概念図である。 図３は、非接触給電システム１０００の等価回路を示す回路図である。 図４は、他の形態に係る主巻線１０の平面図である。 図５は、主巻線１０に生じる磁束を示す模式図である。 図６は、図４に示す主巻線１０に対応した第１磁性体１２および第１制御巻線１３を示す平面図である。 図７は、他の形態に係る可変インダクタンス装置１００Ａを模式的に示す側面図である。 図８は、他の形態にかかる可変インダクタンス装置１００Ａが用いられた非接触給電システムの等価回路を示す回路図である。

以下、ここで提案される可変インダクタンス装置を図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。各図面は模式的に描かれており、必ずしも実物を反映していない。また、各図面は、一例を示すのみであり、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。また、同一の作用を奏する部材・部位には、適宜に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本発明者の知見によれば、磁気を利用した非接触給電は、鉄心を使用した近距離の非接触給電と、鉄芯を使用しない遠距離の非接触給電に大別される。鉄芯を使用した非接触給電は変圧器の原理と同様の原理が用いられており、鉄芯に巻回した一次巻線、二次巻線を各々一次側コイル、二次側コイルとして分離して使用する方法である。一次側コイルと二次側コイルが、密結合でなければ著しく二次側コイルで生じる電圧が低下し、非接触給電としては使用できない。

鉄心を使用しない非接触給電は、一対の空芯コイルを疎結合の状態で、コイルに接続したコンデンサと、コイルのインダクタンスとを共振させるもので、疎結合状態時に高効率で非接触給電を可能にする方法である。この方法では、疎結合における共振を条件としている。このため、先の鉄心を使用した非接触給電とは逆に疎結合の状態でなければならない。ここでは、一次側コイルから出た磁束全体量に対し、二次側コイルに到達した磁束の割合を結合係数と称する。コイル間距離が変化すれば、結合係数が変化し、共振条件が崩れ、疎結合の状態を維持できなくなる。このため、著しく出力が低下し、非接触給電として使用することができない場合がある。

典型的には、非接触給電では、一次側コイルと二次側コイルとが捲回軸の方向において対向して配置される。一次側コイルと二次側コイルの距離が遠い場合、一次側コイルの磁束は空中に分散し、二次側コイルに到達する磁束は少ない状態になる。換言すると、漏れ磁束が多い状態になる。この状態は、結合係数が小さいことから疎結合と呼ばれる。この状態では共振特性が１山の状態で共振周波数は一つだけと見なせる。この疎結合状態でコイルのインダクタンスとキャパシタの共振周波数と電源の周波数とを一致するように設定すると、高効率な非接触給電が可能になる。しかし、一次側コイルと二次側コイルとの距離が変化すると、疎結合の状態が維持できなくなる。

例えば、一次側コイルと二次側コイルとの距離が近くなると、二次コイルに到達する一次コイルの磁束が多くなり結合係数が上昇する。この状態を密結合という。この状態では共振特性が２山になる。この際、疎結合では高効率であった共振周波数は密結合では２山の底に該当する周波数になる。このままでは二次側コイルでの出力が大きく低下してしまい、非接触給電としては使えない。

また、例えば、回路シミュレータによって、結合係数を変化させて出力電圧の周波数特性を求めることができる。どこまでの結合係数の低下に対して給電を行えるかは、共振の品質係数Ｑによって異なる。また、結合係数が大きくなると共振の品質係数Ｑに関係なく、一定の周波数の基では著しく出力電圧は低下する。つまり、非接触給電では、一次側コイルと二次側コイルとのコイル間距離が遠すぎても、近すぎても出力が低下しうる。このように、給電のたびに、一次側コイルと二次側コイルとの距離が近くなったり、遠くなったりするシステムでは、非接触給電を実現することは難しい。

このような問題に対して、例えば、特許文献１では、一次側コイルに流す交流の周波数を変える方法が採られている。しかし、本発明者の知見によれば、周波数を変える方法では出力が低下する。また、周波数を変えることにも制限がある。このため、車両に搭載された二次側コイルに非接触給電するような用途において、一次側コイルに流す交流の周波数を変える方法のみでは、コイル間距離の変化が大きい場合に対応することが難しい場合がある。かかる問題を鑑み、ここでは、全く異なる構造の新規な可変インダクタンス装置を提案する。ここで提案される可変インダクタンス装置は、非接触給電において、例えば、一次側コイルおよび給電ユニットの一部として用いられうる。

図１は、ここで提案される可変インダクタンス装置の一実施形態を模式的に示す側面図である。
ここで提案される可変インダクタンス装置１００は、図１に示すように、主巻線１０と、キャパシタ１１と、第１磁性体１２と、第１制御巻線１３と、交流電源２１と、第１直流電源２２と、制御装置３０とを備えている。

ここで、図２は、車両を充電する用途に用いられる非接触給電システム１０００を模式的に示す概念図である。図３は、非接触給電システム１０００の等価回路を示している。図２に示すように、可変インダクタンス装置１００は、車両を充電する用途に用いられる非接触給電システム１０００において、非接触給電の給電ユニット２１０に用いられる。主巻線１０は、給電ユニット２１０の一次側コイルとして機能しうる。車両２００に搭載された受電ユニット２２０の二次側コイル２２２に誘導起電力が生じ、パワーコントロールユニット２４０を通じて、二次電池２４２に充電される。ここで、受電ユニット２２０において、二次側コイル２２２には、共振用のキャパシタ２２４（コンデンサ）が接続されている（図３参照）。例えば、車両用途では、車種によって、受電ユニット２２０の二次側コイル２２２の高さが変わる。このため、一次側コイルとしての主巻線１０と二次側コイル２２２との距離が変わる。ここで提案される可変インダクタンス装置１００が、非接触給電システム１０００の給電ユニット２１０として用いられる用途は、上述したような車両に充電する用途に限定されず、電動アシスト自転車、車いす、ゴルフカート、移動ロボットなどにも適用されうる。これらの用途においても、主巻線１０と二次側コイル２２２との距離が適宜に変わる。

主巻線１０は、予め定められた一つの巻回軸Ｃ１の周りに巻回された巻線である。図１では、主巻線１０は、巻回軸Ｃ１に対して円筒状に巻かれたコイルとして図示されている。主巻線１０は、例えば、キャパシタ１１が接続されて１次側共振回路を構成される。図１に示す形態では、キャパシタ１１は、主巻線１０に対して直列に接続されている。なお、図１に示す形態では、キャパシタ１１は、主巻線１０に対して直列に接続されているが、キャパシタ１１は、主巻線１０に対して並列に接続されていてもよい。図４は、他の形態に係る主巻線１０の平面図である。薄型化が求められる場合には、主巻線１０は、巻回軸Ｃ１に直交する一平面に沿った平坦なコイルであるとよい。例えば、図４に示すように、主巻線１０は、巻回軸Ｃ１に直交する平面に沿って、巻回軸Ｃ１の周りにらせん状に巻回されているとよい。

図５は、主巻線１０に生じる磁束を示す模式図である。かかる主巻線１０に電流が流れると、図５に示すように、主巻線１０の内側を通って巻回軸Ｃ１の一方向に出て、主巻線１０の外側を回って巻回軸の反対側から主巻線１０の内側に入る磁束Ｆ１が形成される。巻回軸Ｃ１周りに巻線が巻回される主巻線１０の形状は、円形、三角形や四角形などの多角形、さらには異形形状でもよく、特に限定されるものではない。また、図１および図４では、主巻線１０は複数層に巻回されているが、巻線は一層でもよい。また、主巻線１０は、巻回軸Ｃ１に沿って磁性体からなる芯（例えば、鉄芯）を備えていてもよい。磁性体からなる芯を備えた主巻線１０は、空芯コイルに比べて磁束が効率良く作用する。非接触給電システム１０００への適用において共振の品質が向上する。

第１磁性体１２は、図１に示すように、巻回軸Ｃ１の軸方向の片側において主巻線１０に対向して配置され、主巻線１０に沿った環状の形状を備えている。かかる第１磁性体１２には、空気よりも透磁率の高い材料が用いられているとよい。第１磁性体１２には、空気よりも透磁率が高い材料が用いられているとよい。１０℃以上２５℃程度の常温域において、例えば、空気よりも１００倍以上、より好ましくは１０００倍以上、透磁率が高い材料が用いられているとよい。この実施形態では、第１磁性体１２は、主巻線１０（図３）の形状に対応し、中心部に円形の開口１２ａを有する円板状のフェライトである。

第１磁性体１２には、例えば、純鉄、鉄、フェライト、ケイ素鋼などが用いられうる。また、薄型化が求められる用途では、第１磁性体１２は、例えば、薄い板状であるとよい。第１磁性体１２は、巻回軸Ｃ１に沿って開口しているとよい。つまり、第１磁性体１２は、中央部に貫通した開口１２ａを有しているとよい。第１磁性体１２の形状は、例えば、巻回軸Ｃ１の軸方向において、主巻線１０に対向しうるように、主巻線１０と略同じ形状であるとよい。第１磁性体１２は、主巻線１０に応じた形状であれば良く、円形、中央に孔が開いた三角形や四角形などの多角形、さらには異形形状でもよい。また、開口１２ａの形状も特に言及されない限りにおいて、円形に限定されない。

第１制御巻線１３は、環状の第１磁性体１２に対して絶縁された状態で環状の第１磁性体１２にらせん状に巻回された巻線によって構成されている。つまり、第１制御巻線１３は、環状の第１磁性体１２に巻回された環状のコイルである。ここで、図６は、図４に示す主巻線１０に対応した第１磁性体１２および第１制御巻線１３を示す平面図である。図６に示す形態では、第１磁性体１２は、巻回軸Ｃ１の方向における、主巻線１０（図３）の形状に対応し、中心部に開口１２ａを有する円板状のフェライトである。第１制御巻線１３は、かかる第１磁性体１２に巻回された環状のコイルである。薄型化が求められる用途では、このような薄型の構造が採用されうる。

交流電源２１は、図１に示すように、主巻線１０およびキャパシタ１１に接続されている。交流電源２１は、主巻線１０に交流を印加し、主巻線１０の内側から巻回軸Ｃ１の一方から放出され、主巻線１０の外側を回って巻回軸Ｃ１の他方から戻るように周回する磁束Ｆ１を生じさせる。ここで、交流電源２１は、図示は省略するがインバータ回路を備え、周波数が調整可能な電源であってもよい。

第１直流電源２２は、第１制御巻線１３に接続されている。第１直流電源２２は、図示は省略するが整流器を備えて図示されない交流電源からの交流を直流に変換して第１制御巻線１３に電気を流すものでもよい。

制御装置３０は、この実施形態では、第１直流電源２２を制御する装置である。

この可変インダクタンス装置１００では、図１および図３に示すように、第１制御巻線１３に流される直流電流が、第１直流電源２２によって制御される。ここで、第１制御巻線１３に直流電流が流されると、第１制御巻線１３によって環状の第１磁性体１２に沿って周回する磁束Ｆ２が生じる。

第１制御巻線１３に直流電流が流れていない状態では、第１磁性体１２の透磁率が空気よりも高い。このため、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１は、より多く第１磁性体１２を透過する。このため、主巻線１０から第１磁性体１２を透過する磁束量が最も多くなる。

第１制御巻線１３に直流電流が流れると、環状の第１磁性体１２に沿って環状に回る磁束Ｆ２（図６参照）が生じる。ここで、第１制御巻線１３によって第１磁性体１２に生じる磁束と、主巻線１０によって生じる磁束とは、直交しているので電磁結合が生じない。このため、第１制御巻線１３に流れる電流は、主巻線１０の電流および当該電流によって生じる磁束Ｆ１に影響を受けない。

このような磁束Ｆ２が第１磁性体１２に生じると、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１は、第１磁性体１２を透過しにくくなる。第１磁性体１２は、中心部に開口１２ａを有している。第１制御巻線１３に直流電流が流れる場合でも、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１の一部は、第１磁性体１２の中心部に形成された開口１２ａを通じて、巻回軸Ｃ１の方向に遠方に延びる。

第１制御巻線１３に流れる直流電流の電流値が増減することによって、第１磁性体１２に生じる磁束Ｆ２が増減する。第１磁性体１２に生じる磁束Ｆ２が増えると、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１は、第１磁性体１２を透過しにくくなる。つまり、透磁率が変化するかのように、第１磁性体１２が振る舞う。換言すると、第１制御巻線１３に流れる直流電流の電流値を調整することによって、第１磁性体１２の透磁率が実質的に変化する。つまり、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１に対する、第１磁性体１２の透磁率が実質的に変化する。第１制御巻線１３に直流電流を流すことによって変化する、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１に対する第１磁性体１２の実質的な透磁率は、ここでは第１磁性体１２の「実透磁率」と称される。

この可変インダクタンス装置１００によれば、機械的な可動部を設けることなく、第１制御巻線１３に流す直流電流の電流値を制御することによって、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１の動作点を変化させることができる。かかる構造によれば、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１の動作点は、電気的に操作されるから制御が容易である。また、機械的な機構が用いられていないので、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１の動作点を高速で変化させることができる。また、故障が生じにくく、長寿命化と、製造コストを安く抑えることができる。

このように、この可変インダクタンス装置１００では、第１制御巻線１３に流れる直流電流の電流値を制御することによって、主巻線１０によって生じる磁束Ｆ１が、第１磁性体１２を透過する割合と、第１磁性体１２の開口１２ａを通過する割合とが変化する。これによって、図２および図３に示す、非接触給電システム１０００において、一次側コイルとしての主巻線１０によって生じる磁束が、二次側コイル２２２に到達する割合を変化させることができる。

つまり、主巻線１０と二次側コイル２２２とのコイル間距離が近いときは、第１制御巻線１３に流す直流電流を減らし、第１磁性体１２の実透磁率を上げる。これによって、主巻線１０に生じる磁束のうち、第１磁性体１２に向かう磁束が増え、二次側コイル２２２へ向かう磁束が減る。つまり、主巻線１０に生じる磁束の多くを第１磁性体１２によって捕捉し、二次側コイル２２２に到達しない漏れ磁束として、主巻線１０の近くを巡回させる。この結果、二次側コイル２２２には、僅かな磁束しか到達しないようにする。これによって、主巻線１０と二次側コイル２２２とに、疎結合状態が作られ、高効率の非接触給電が実現される。

主巻線１０と二次側コイル２２２とのコイル間距離が遠いときは、第１磁性体１２に流す直流電流を増やし、第１磁性体１２の実透磁率を低下させる。これによって、主巻線１０に生じる磁束のうち、第１磁性体１２に向かう磁束が減り、二次側コイルへ向かう磁束が増える。これによって、主巻線１０と二次側コイル２２２とのコイル間距離が遠くても、主巻線１０と二次側コイル２２２とに、疎結合状態が作られ、高効率の非接触給電が実現される。

このように、主巻線１０と二次側コイル２２２とのコイル間の距離が、給電のたびに変わっても、主巻線１０と二次側コイル２２２との疎結合状態が作られるように第１制御巻線１３に流す直流電流の電流値が制御されるとよい。この制御によって、主巻線１０に流す交流の周波数などを変えずに、都度、主巻線１０と二次側コイル２２２とに疎結合の状態を作ることができ、高効率の非接触給電を実現できる。

可変インダクタンス装置１００は、例えば、図１および図３に示すように、主巻線１０とキャパシタ１１とによって構成された共振回路を検知する検知部３１を備えているとよい。この実施形態では、共振回路の共振状態を検知する検知部３１は、主巻線１０に流れる電流値を検知するセンサ３１ａと、主巻線１０およびキャパシタ１１に印加された電圧を検知するセンサ３１ｂとで構成されている。つまり、図３に示す非接触給電システム１０００において、主巻線１０とキャパシタ１１によって構成された共振回路と、二次側コイル２２２を含む受電側の共振回路とに共振状態が生じた場合には、主巻線１０に流れる電流値や、主巻線１０およびキャパシタ１１に印加された電圧値が変動する。かかる電流値や電圧値の変動に基づいて、共振回路の共振状態が検知されうる。

制御装置３０は、非接触給電システムでは、検知部３１で共振状態が検知されるように、第１直流電源２２から第１制御巻線１３に流される電流の電流値を制御するとよい。これによって、主巻線１０を含む給電側の共振回路と二次側コイル２２２を含む受電側の共振回路とを共振させ、主巻線１０と二次側コイル２２２とに疎結合の状態が作られる。このため、疎結合による高い出力による給電が実現されうる。図３に示す形態では、検知部３１として、主巻線１０に流れる電流値を検知するセンサ３１ａと、主巻線１０およびキャパシタ１１に印加された電圧を検知するセンサ３１ｂとで構成された構成を例示したが、これに限定されない。例えば、非接触給電システム１０００では、検知部３１は、主巻線１０を含む共振回路と二次側コイル２２２を含む共振回路との共振状態を検知しうる構成であればよく、種々の構成を採用しうる。かかる検知部３１には、例えば、テキサスインツトルメントル社製のＣＤ４０４６ＢＥのように共振状態を検知しうる種々の公知の電子回路（集積回路）が用いられうる。

ところで、上述した図１に示す可変インダクタンス装置１００は、非接触給電システム１０００の給電ユニット２１０に採用されうる。この場合、例えば、車両用途などでは、一次側コイルとして機能する主巻線１０と、受電ユニット２２０の二次側コイル２２２とのコイル間の距離は、給電のたびに変わりうる。ここで提案される非接触給電システム１０００によれば、上述したように、主巻線１０を含む共振回路と二次側コイル２２２を含む共振回路とが共振状態になるように、第１制御巻線１３に流す電流値を変化させて、第１磁性体１２の実透磁率を変化させる。この際、第１制御巻線１３に電流を流し、第１磁性体１２の実透磁率が変化すると、主巻線１０の自己インダクタンスＬが変化する。

主巻線１０の自己インダクタンスＬは、例えば、以下の式１で表される。
ここで、
Ｌ：主巻線の自己インダクタンス
ｄ_０：空気部を通る磁路長
Ｓ_０：空気部の断面積
μ_０：空気部の透磁率
ｄ_Ｃ：第１磁性体を通る磁路長
Ｓ_Ｃ：第１磁性体の断面積
μ_Ｃ：第１磁性体の実透磁率
ｎ：主巻線の巻数
である。

ここで、空気部は、主巻線１０から第１磁性体１２を出て、主巻線１０の外側を通り、主巻線１０に戻るまでの磁束が形成される空間を意味する。ここで、式１の分母において（ｄ_０／μ_０＊Ｓ_０）で表された第１項は、空気部の影響を示している。式１の分子、ｎ^２と、分母の第１項とは、第１制御巻線１３に流れる電流値に関わらず、変化がない。これに対して、分母の第２項（ｄ_Ｃ／μ_Ｃ＊Ｓ_Ｃ）は、第１磁性体１２の影響を示している。第１制御巻線１３に電流が流れると、第１磁性体１２の実透磁率μ_Ｃが変化する。このため、第１制御巻線１３に流れる電流値が変化すると、分母の第２項では変化する。このように、第１制御巻線１３に電流が流れると、主巻線１０の自己インダクタンスＬが変化する。

主巻線１０の共振周波数ｆ_０は、以下の式２で表される。
ここで、
Ｌ：主巻線の自己インダクタンス
Ｃ：キャパシタのキャパシタンス（図３のキャパシタ１１参照）
ｆ_０：共振周波数
である。

ここで、キャパシタ１１のキャパシタンスＣは、一定である。式２によれば、主巻線１０の自己インダクタンスＬが変化すると、主巻線１０の共振周波数ｆ_０が変化する。図２および図３で示す非接触給電システムにおいて、共振周波数ｆ_０が変化すると、主巻線１０と、二次側コイル２２２との共振条件が崩れる原因となりうる。このため、図１から図３に示すように、非接触給電システム１０００に給電側のユニット２１０に用いられる場合では、可変インダクタンス装置１００は、第１制御巻線１３に流す電流値を変化させても、主巻線１０の自己インダクタンスＬが変化しないことが望ましい。

次に、可変インダクタンス装置の他の形態を説明する。図７は、他の形態に係る可変インダクタンス装置１００Ａを示す模式図である。図８は、他の形態にかかる可変インダクタンス装置１００Ａが用いられた非接触給電システムを模式的に示す回路図である。

可変インダクタンス装置１００Ａは、第２磁性体１４と、第２制御巻線１５と、第２直流電源２３とを備えている。

第２磁性体１４は、主巻線１０に沿った環状の磁性体であり、図７および図８に示すように、中央部に開口１４ａを有している。第２磁性体１４は、第１磁性体１２とは反対側において主巻線１０に対向して配置されている。第２制御巻線１５は、第２磁性体１４に対して絶縁された状態で第２磁性体１４に沿って巻回されている。つまり、第２磁性体１４と第２制御巻線１５は、第１磁性体１２と第１制御巻線１３と同様の構成であり、主巻線１０に対して巻回軸Ｃ１方向において、第１磁性体１２および第１制御巻線１３とは反対側に配置されている。

第２直流電源２３は、第２制御巻線１５に接続されている。制御装置３０は、第１直流電源２２と第２直流電源２３とを制御する。可変インダクタンス装置１００Ａは、図７および図８に示すように、主巻線１０とキャパシタ１１とによって構成された共振回路の共振状態を検知する検知部３１を備えている。

制御装置３０は、検知部３１で共振状態が検知されるように、第１直流電源２２から第１制御巻線１３に流される電流の電流値を制御し、かつ、第１制御巻線１３に流される電流に対して、主巻線１０の自己インダクタンスの変化が小さく抑えられるように、第２直流電源２３から第２制御巻線１５に流される電流の電流値を制御する。

ここで、式３は、可変インダクタンス装置１００Ａの主巻線１０の自己インダクタンスＬを示す式である。
ここで、
Ｌ：主巻線の自己インダクタンス
ｄ_０：空気部を通る磁路長
Ｓ_０：空気部の断面積
μ_０：空気部の透磁率
ｄ_Ｃ１：第１磁性体を通る磁路長
Ｓ_Ｃ１：第１磁性体の断面積
μ_Ｃ１：第１磁性体の実透磁率
ｄ_Ｃ２：第２磁性体を通る磁路長
Ｓ_Ｃ２：第２磁性体の断面積
μ_Ｃ２：第２磁性体の実透磁率
ｎ：主巻線の巻数
である。

ここで、空気部は、主巻線１０から第１磁性体１２を出て、主巻線１０の外側を通り、第２磁性体１４に戻るまでの磁束が形成される空間を意味する。式３の分母における第１項は、空気部の影響を示す項であり、式１の分母における第１項と同じである。式３の分母における第２項は、第１磁性体１２の影響を示す項であり、式１の分母における第２項と同じである。式３の分母における第３項は、第２磁性体１４の影響を示す項である。

ここで、式３の分子、ｎ^２と、分母において（ｄ_０／μ_０＊Ｓ_０）で表された第１項は、第１制御巻線１３および第２制御巻線１５に流れる電流値に関わらず、変化がない。これに対して、分母の第２項（ｄ_Ｃ１／μ_Ｃ１＊Ｓ_Ｃ１）は、第１磁性体１２の影響を示している。第１制御巻線１３に電流が流れると、第１磁性体１２の実透磁率μ_Ｃ１が変化する。このため、第１制御巻線１３に流れる電流値が変化すると、分母の第２項では変化する。これに対して、制御装置３０によって、主巻線１０の自己インダクタンスＬの変化が小さく抑えられるように、第２直流電源２３から第２制御巻線１５に流される直流の電流値が制御される。

つまり、式３の分母における第３項において、第２制御巻線１５に流される電流の向きや大きさが制御されて、第２磁性体１４の実透磁率μ_Ｃ２が調整される。この結果、式３の分母の第２項（第１磁性体１２の影響）の増減が、分母の第３項（ｄ_Ｃ２／μ_Ｃ２＊Ｓ_Ｃ２）（第２磁性体１４の影響）の増減によって相殺される。このため、主巻線１０の自己インダクタンスＬの変化が小さく抑えられる。このように、可変インダクタンス装置１００Ａによれば、主巻線１０から第１磁性体１２を透過する磁束を制御することができるとともに、主巻線１０の自己インダクタンスの変化が小さく抑えられる。

このように、可変インダクタンス装置１００Ａの主巻線１０は、図８に示すように、非接触給電システム１０００の給電ユニット２１０において、一次側コイルとして用いられうる。

この場合、制御装置３０は、検知部３１で共振状態が検知されるように、第１直流電源２２から第１制御巻線１３に流される電流の電流値を制御するとよい。これによって、主巻線１０を含む給電側の共振回路と二次側コイル２２２を含む受電側の共振回路とを共振させ、疎結合による高い出力による給電を実現うるとよい。この際、可変インダクタンス装置１００Ａでは、主巻線１０の自己インダクタンスＬが変化しないように、第２制御巻線１５に流れる電流の電流値が制御される。これによって、非接触給電システム１０００において、主巻線１０と二次側コイル２２２との共振の条件が維持される。このように、主巻線１０と二次側コイル２２２とを共振状態とし疎結合が作られるように、第１制御巻線１３に流す電流の電流値が制御されるともに、主巻線１０の自己インダクタンスが変化しないように第２制御巻線１５に流す電流の電流値が制御されるとよい。かかる可変インダクタンス装置１００Ａが給電ユニット２１０に採用されることによって、給電ごとに、主巻線１０（一次側コイル）と二次側コイル２２２とのコイル間の距離が変わるような非接触給電に対応した非接触給電システム１０００が実現される。

図１および図３に示すように、可変インダクタンス装置１００の主巻線１０は、給電ユニット２１０の一次側コイルとして用いられうる。車両用途の非接触給電では、例えば、図２に示すように、車両によって、また車両が停められる位置によって、一次側コイルとしての主巻線１０と、車両に搭載された二次側コイル２２２とのコイル間の距離が変化する。これに対して、ここで提案される可変インダクタンス装置１００によれば、第１制御巻線１３に流す直流電流の電流値が制御されることによって、主巻線１０から第１磁性体１２を透過して二次側コイル２２２へ向かう磁束が制御される。車両用途のように、給電毎に、主巻線１０と二次側コイル２２２とのコイル間の距離が変化するような場合でも、主巻線１０から第１磁性体１２を透過して二次側コイル２２２へ向かう磁束が制御されることによって、疎結合の状態を作ることができ、高効率の非接触給電が実現される。

さらに、図７および図８に示すように、第２磁性体１４および第２制御巻線１５を備えた形態では、第２制御巻線１５に流す直流電流の電流値が制御されることによって、主巻線１０の自己インダクタンスＬの変化が小さく抑えられる。第２制御巻線１５に流す直流電流の電流値が制御されることによって、第２磁性体１４の実透磁率が制御され、主巻線１０の自己インダクタンスＬの変化が小さく抑えられる。かかる可変インダクタンス装置１００Ａによれば、結合係数を維持するとともに、共振条件を維持でき、疎結合によって出力電圧を高く高効率の非接触給電の適用範囲をさらに拡大できる。また、この場合、主巻線１０を薄型化することによって、第１磁性体１２と第２磁性体１４との距離が小さくなり、二次側コイル２２２に到達せずに空気部を巡回する漏れ磁束の磁路が短くなる。このため、上記制御が容易になる。

以上のとおり、ここで提案される可変インダクタンス装置および非接触給電システムについて、種々説明したが、ここで提案される可変インダクタンス装置は、特に言及されない限りにおいて、上述した実施形態や変形例に限定されない。

例えば、上述した実施形態では、非接触給電システム１０００の給電ユニット２１０において、可変インダクタンス装置１００、１００Ａの主巻線１０を一次側コイルとして用いられた例を例示した。可変インダクタンス装置１００、１００Ａは、非接触給電システム１０００の給電ユニット２１０に限らず、受電ユニット２２０にも用いられうる。この場合、図示は省略するが、可変インダクタンス装置１００、１００Ａの主巻線１０を二次側コイル２２２として用いるとよい。この場合、可変インダクタンス装置１００、１００Ａの主巻線１０が用いられた二次側コイル２２２を含む共振回路において、第１制御巻線１３に流す電流の電流値が制御されることによって共振の条件が変更され、給電ユニット２１０との疎結合による非接触給電が実現されうる。また、非接触給電システム１０００の給電ユニット２１０と受電ユニット２２０とに、それぞれここで提案される可変インダクタンス装置１００、１００Ａを用いてもよい。

また、ここで提案される可変インダクタンス装置１００，１００Ａは、非接触給電システム１０００に限定されず、種々の電気回路において、可変インダクタンス装置として用いられうる。

例えば、上述した可変インダクタンス装置１００Ａは、主巻線１０の巻回軸の軸方向の両側に、それぞれ環状の磁性体１２，１４と、制御巻線１３，１５が設けられている（図７参照）。非接触給電システム１０００の給電ユニット２１０において、主巻線１０を一次側コイルとして用いる例を例示した（図８参照）。当該例において、主巻線１０の自己インダクタンスＬが変化しないように、第２制御巻線１５に流れる電流の電流値を制御することを例示した。この場合、例えば、第１制御巻線１３に流れる電流が、主巻線１０の自己インダクタンスＬを増やすように作用する場合、主巻線１０の自己インダクタンスＬが増えないように、第２制御巻線１５に流れる電流の電流値を制御するとよい。また、第１制御巻線１３に流れる電流が、主巻線１０の自己インダクタンスＬを減らすように作用する場合、主巻線１０の自己インダクタンスＬが減らないように、第２制御巻線１５に流れる電流の電流値を制御するとよい。

なお、第２制御巻線１５に流れる電流の制御は、かかる例に限定されない。例えば、第１制御巻線１３に流れる電流の作用によって、主巻線１０の自己インダクタンスＬが増える場合に、主巻線１０の自己インダクタンスＬがさらに増えるように、第２制御巻線１５に流れる電流の電流値を制御することもできる。また、第１制御巻線１３に流れる電流の作用によって、主巻線１０の自己インダクタンスＬが減る場合に、主巻線１０の自己インダクタンスＬがさらに減るように、第２制御巻線１５に流れる電流の電流値を制御することもできる。この場合、第１制御巻線１３に流れる電流の作用によって増減する主巻線１０の自己インダクタンスを、第２制御巻線１５に流れる電流の作用によって、さらに大きく増減させることができる。このように可変インダクタンス装置１００Ａによれば、第２制御巻線１５に流れる電流の電流値を制御することによって、第１制御巻線１３に流れる電流によって生じる主巻線１０の自己インダクタンスの変化をさらに大きくさせることもできる。

このように、可変インダクタンス装置１００Ａは、主巻線１０の巻回軸の軸方向の片側だけに環状の磁性体と制御巻線とが設けられている場合に比べて、主巻線１０の自己インダクタンスをより大きく可変させることができる。このため、種々の用途において、適用範囲が広く、かつ、汎用性の高い可変インダクタンス装置を提供することができる。

１０ 主巻線
１１ キャパシタ
１２ 第１磁性体
１２ａ 開口
１３ 第１制御巻線
１４ 第２磁性体
１５ 第２制御巻線
２１ 交流電源
２２ 第１直流電源
２３ 第２直流電源
３０ 制御装置
３１ 検知部
３１ａ、３１ｂ センサ
１００、１００Ａ 可変インダクタンス装置
２００ 車両
２１０ 給電ユニット
２２０ 受電ユニット
２２２ 二次側コイル
２２４ キャパシタ
２４０ パワーコントロールユニット
２４２ 二次電池
１０００ 非接触給電システム
Ｃ１ 巻回軸
Ｆ１ 主巻線１０によって生じる磁束
Ｆ２ 第１磁性体１２に生じる磁束

Claims (10)

1. 一つの巻回軸周りに巻回された主巻線と、
   前記主巻線に接続されたキャパシタと、
   前記巻回軸の軸方向の片側において前記主巻線に対向して配置され、前記主巻線に沿った環状の第１磁性体と、
   前記第１磁性体に対して絶縁された状態で前記第１磁性体に沿って巻回された第１制御巻線と
   を備えた、可変インダクタンス装置。
2. 前記主巻線の巻線は、前記巻回軸に直交する平面に沿って巻回されている、請求項１に記載された可変インダクタンス装置。
3. 前記主巻線は磁性体からなる芯を備えた、請求項１または２に記載された可変インダクタンス装置。
4. 前記主巻線および前記キャパシタに電気的に接続された交流電源と、
   前記第１制御巻線に接続された第１直流電源と、
   前記第１直流電源を制御する制御装置と
   を備えた、請求項１から３までの何れか一項に記載された可変インダクタンス装置。
5. 前記主巻線と前記キャパシタとによって構成された共振回路の共振状態を検知する検知部を備え、
   前記制御装置は、前記検知部で共振状態が検知されるように、前記第１直流電源から前記第１制御巻線に流される電流の電流値を制御する、請求項４に記載された可変インダクタンス装置。
6. 前記第１磁性体とは反対側において前記主巻線に対向して配置され、前記主巻線に沿った環状の第２磁性体と、
   前記第２磁性体に対して絶縁された状態で前記第２磁性体に沿って巻回された第２制御巻線と
   を備えた、請求項１から３までの何れか一項に記載された可変インダクタンス装置。
7. 前記主巻線に接続された交流電源と、
   前記第１制御巻線に接続された第１直流電源と、
   前記第２制御巻線に接続された第２直流電源と、
   前記第１直流電源と前記第２直流電源を制御する制御装置と
   を備えた、請求項６に記載された可変インダクタンス装置。
8. 前記主巻線と前記キャパシタとによって構成された共振回路の共振状態を検知する検知部を備え、
   前記制御装置は、
   前記検知部で共振状態が検知されるように、前記第１直流電源から前記第１制御巻線に流される電流の電流値を制御し、かつ、
   前記主巻線の自己インダクタンスが変化しないように、前記第２直流電源から前記第２制御巻線に流される電流の電流値を制御する、
   請求項７に記載された可変インダクタンス装置。
9. 請求項１から８までの何れか一項に記載された可変インダクタンス装置を備え、
   前記主巻線が、給電ユニットの一次側コイルとして用いられた、非接触給電システム。
10. 請求項１から８までの何れか一項に記載された可変インダクタンス装置を備え、
    前記主巻線が、受電ユニットの一次側コイルとして用いられた、非接触給電システム。

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