JP2019022268A - 送電器 - Google Patents

送電器 Download PDF

Info

Publication number
JP2019022268A
JP2019022268A JP2017136564A JP2017136564A JP2019022268A JP 2019022268 A JP2019022268 A JP 2019022268A JP 2017136564 A JP2017136564 A JP 2017136564A JP 2017136564 A JP2017136564 A JP 2017136564A JP 2019022268 A JP2019022268 A JP 2019022268A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
coil
power
resonance coil
primary side
side resonance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2017136564A
Other languages
English (en)
Inventor
清人 松井
Kiyoto Matsui
清人 松井
弘敬 大島
Hirotaka Oshima
弘敬 大島
川野 浩康
Hiroyasu Kawano
浩康 川野
聡 下川
Satoshi Shimokawa
聡 下川
昭嘉 内田
Akiyoshi Uchida
昭嘉 内田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2017136564A priority Critical patent/JP2019022268A/ja
Publication of JP2019022268A publication Critical patent/JP2019022268A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

【課題】使い勝手の良好な送電器を提供する。【解決手段】送電器100は、平面的に巻回される二次側共振コイル81を有する受電器80に、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を送電する一次側共振コイル12と、一次側共振コイルに高周波の送電電力を出力する高周波電源とを含む。一次側共振コイルは、第1ピッチで巻回される第1コイル部と、平面視で第1コイル部の外側に接続され、第1ピッチよりも大きい第2ピッチで巻回される第2コイル部と、を有する。第2コイル部に定格電流が流れることによって発生する磁界の強度は、所定の防護指針によって決まる所定強度未満である。【選択図】図2

Description

本発明は、送電器に関する。
従来より、第1の配線層においてスパイラル状に形成された第1の配線と、第2の配線層において、第1の配線の全長に沿って設けられた第2の配線と、第2の配線を第1の配線に接続する複数のビアとを具備するスパイラルインダクタがある。
第1の配線のスパイラルの最も外側に位置する部分に沿う第2の配線の部分は、第1の配線の外側の縁に沿って形成され、第1の配線のスパイラルの最も内側に位置する部分に沿う第2の配線の部分は、第1の配線の内側の縁に沿って形成される(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−214377号公報
ところで、スパイラルインダクタのような形状を有するコイルをワイヤレス給電の送電器に用いて受電器に電力を送電する場合に、送電器に対して受電器の位置がずれると、送電器のうち平面視で受電器が重なっていない部分から高周波の電力が受電器の存在しない空間中に放射される。このような場合に、人体を防護する観点から、防護対策が必要になる。
防護対策を行うには、例えば、送電器に対して受電器の位置がずれた場合に、受電器の存在しない空間中に人体が入らないように防護壁を設けること等が考えられる。
しかしながら、防護壁等のような防護対策を行うと、送電器に受電器をかざし難くなり、使い勝手が悪くなるという課題がある。
そこで、使い勝手の良好な送電器を提供することを目的とする。
本発明の実施の形態の送電器は、平面的に巻回される二次側共振コイルを有する受電器に、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を送電する一次側共振コイルと、前記一次側共振コイルに高周波の送電電力を出力する高周波電源とを含み、前記一次側共振コイルは、第1ピッチで巻回される第1コイル部と、平面視で前記第1コイル部の外側に接続され、前記第1ピッチよりも大きい第2ピッチで巻回される第2コイル部と、を有し、前記第2コイル部に定格電流が流れることによって発生する磁界の強度は、所定の防護指針によって決まる所定強度未満である。
使い勝手の良好な送電器を提供することができる。
実施の形態の電力伝送システム50のコイルの構成を示す図である。 実施の形態の受電器80と送電器100を示す図である。 受電器80を有するカート310を示す図である。 一次側共振コイル12とカート310の二次側共振コイル81との位置関係を示す図である。 一次側共振コイル12の具体的な構成を示す斜視図である。 一次側コイル11、一次側共振コイル12、二次側共振コイル81、及び二次側コイル82に生じる磁界の強度を示す図である。 比較用の一次側共振コイル5及び二次側共振コイル81に生じる磁界の強度を示す図である。 一次側共振コイルの種類と、位置ずれ、及び理想効率の関係を示す図である。 コイル部12Bのピッチを変えた場合の磁界強度と効率(理想効率)の特性を示すシミュレーション結果である。 実施の形態の変形例の一次側共振コイル12Mを示す図である。 実施の形態の変形例の一次側共振コイル12Nを示す図である。
以下、本発明の送電器を適用した実施の形態について説明する。
<実施の形態>
図1は、実施の形態の電力伝送システム50のコイルの構成を示す図である。電力伝送システム50は、交流電源1、一次側(送電側)の送電器100、及び二次側(受電側)の受電器80を含む。電力伝送システム50は、送電器100及び受電器80を複数含んでもよい。
送電器100は、一次側コイル11と一次側共振コイル12を有する。受電器80は、二次側共振コイル81と二次側コイル82を有する。二次側コイル82には負荷装置30が接続される。
図1に示すように、送電器100及び受電器80は、一次側共振コイル(LC共振器)12と二次側共振コイル(LC共振器)81の間の磁界共鳴(磁界共振)により、送電器100から受電器80へエネルギー(電力)の伝送を行う。ここで、一次側共振コイル12から二次側共振コイル81への電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共鳴(電界共振)等も可能であるが、以下の説明では、主として磁界共鳴を例として説明する。
また、実施の形態では、一例として、交流電源1が出力する交流電圧の周波数が6.78MHzであり、一次側共振コイル12と二次側共振コイル81の共振周波数が6.78MHzである場合について説明する。
なお、一次側コイル11から一次側共振コイル12への電力伝送は電磁誘導を利用して行われ、また、二次側共振コイル81から二次側コイル82への電力伝送も電磁誘導を利用して行われる。
次に、図2を用いて、実施の形態の受電器80と送電器100について説明する。図2は、実施の形態の受電器80と送電器100を示す図である。送電器100は、交流電源1、一次側コイル11、一次側共振コイル12、整合回路13、キャパシタ14、制御部110を有する。交流電源1は、図1に示すものと同様である。
受電器80は、二次側共振コイル81、二次側コイル82、整流回路83、平滑キャパシタ84、出力端子86A、86Bを含む。出力端子86A、86Bには、DCDCコンバータ210が接続されており、DCDCコンバータ210の出力側にはバッテリ220が接続されている。図2では、負荷回路はバッテリ220である。
図2に示すように、一次側コイル11は、ループ状のコイルであり、両端間に整合回路13を介して交流電源1に接続されている。一次側コイル11は、一次側共振コイル12と非接触で近接して配置されており、一次側共振コイル12と電磁界結合される。一次側コイル11は、自己の中心軸が一次側共振コイル12の中心軸と一致するように配設される。中心軸を一致させるのは、一次側コイル11と一次側共振コイル12との結合強度を向上させるとともに、磁束の漏れを抑制して、不必要な電磁界が一次側コイル11及び一次側共振コイル12の周囲に発生することを抑制するためである。
一次側コイル11は、交流電源1から整合回路13を経て供給される交流電力によって磁界を発生し、電磁誘導(相互誘導)により電力を一次側共振コイル12に送電する。
図2に示すように、一次側共振コイル12は、一次側コイル11と非接触で近接して配置されて一次側コイル11と電磁界結合されている。また、一次側共振コイル12は、所定の共振周波数を有し、高いQ値を有するように設計されている。一次側共振コイル12の共振周波数は、二次側共振コイル81の共振周波数と等しくなるように設定されている。一次側共振コイル12の両端の間に、共振周波数を調整するためのキャパシタ14が直列に接続される。
一次側共振コイル12の共振周波数は、交流電源1が出力する交流電力の周波数と同一の周波数になるように設定されている。一次側共振コイル12の共振周波数は、一次側共振コイル12のインダクタンスと、キャパシタ14の静電容量によって決まる。このため、一次側共振コイル12のインダクタンスと、キャパシタ14の静電容量は、一次側共振コイル12の共振周波数が、交流電源1から出力される交流電力の周波数と同一の周波数になるように設定されている。
整合回路13は、一次側コイル11、一次側共振コイル12、二次側共振コイル81、及び二次側コイル82と交流電源1とのインピーダンス整合を取るために挿入されており、インダクタLとキャパシタCを含む。なお、一次側コイル11、一次側共振コイル12、二次側共振コイル81、及び二次側コイル82と交流電源1のインピーダンスが近い値の場合には、整合回路13を設けなくてもよい。
交流電源1は、磁界共鳴に必要な周波数の交流電力を出力する電源であり、出力電力を増幅するアンプを内蔵する。交流電源1は、例えば、数十kHzから数十MHz程度の高周波の交流電力を出力する。
キャパシタ14は、一次側共振コイル12の両端の間に、直列に挿入される可変容量型のキャパシタである。キャパシタ14は、一次側共振コイル12の共振周波数を調整するために設けられており、静電容量は制御部110によって設定される。
制御部110は、交流電源1の出力電圧及び出力周波数の制御、キャパシタ14の静電容量の制御等を行う。
以上のような送電器100は、交流電源1から一次側コイル11に供給される交流電力を磁気誘導により一次側共振コイル12に送電し、一次側共振コイル12から磁界共鳴により電力を受電器80の二次側共振コイル2181に送電する。なお、送電器100は、一次側コイル11を含まずに、整合回路13と一次側共振コイル12が直接接続される構成であってもよい。
二次側共振コイル81は、一次側共振コイル12と同一の共振周波数を有し、高いQ値を有するように設計されている。二次側共振コイル81の一対の端子は、コンデンサ81Aに接続されている。二次側共振コイル81は、二次側コイル82と電磁界結合しており、電磁誘導によって電力を二次側コイル82に伝送する。二次側共振コイル81は、送電器100の一次側共振コイル12から磁界共鳴によって送電される交流電力を電磁誘導によって二次側コイル82に伝送する。二次側共振コイル81は、図1に示す二次側共振コイル81に相当する。
二次側コイル82は、一対の端子が整流回路83に接続されており、二次側共振コイル81から電磁誘導で受電した電力を整流回路83に出力する。
整流回路83は、4つのダイオード83A〜83Dを有する。ダイオード83A〜83Dは、ブリッジ状に接続されており、二次側コイル82から入力される電力を全波整流して出力する。
平滑キャパシタ84は、整流回路83の出力側に接続されており、整流回路83で全波整流された電力を平滑化して直流電力として出力する。平滑キャパシタ84の出力側には、出力端子86A、86Bが接続される。整流回路83で全波整流された電力は、交流電力の負成分を正成分に反転させてあるため、略直流電力として取り扱うことができるが、平滑キャパシタ84を用いることにより、全波整流された電力にリップルが含まれるような場合でも、安定した直流電力を得ることができる。
DCDCコンバータ210は、出力端子86A、86Bに接続される入力端子210A、210Bを有し、受電器80から出力される直流電力の電圧をバッテリ220の定格電圧に変換して出力する。
DCDCコンバータ210は、一例として、降圧型のDCDCコンバータであり、整流回路83を介して供給される受電電力の電圧値(入力電圧)をバッテリ220の定格電圧に降圧してバッテリ220に供給する。降圧型のDCDCコンバータを用いるのは、昇圧型及び昇降圧型のDCDCコンバータに比べると、降圧型は電流値が比較的低く小型であり、小型軽量化が求められる受電器80に向いているからである。
バッテリ220は、繰り返し充電が可能な二次電池であればよく、例えば、リチウムイオン電池を用いることができる。例えば、受電器80がタブレットコンピュータ又はスマートフォン等の電子機器に内蔵される場合は、バッテリ220は、このような電子機器のメインのバッテリである。
なお、一次側コイル11、一次側共振コイル12、二次側共振コイル81、二次側コイル82は、例えば、銅線を巻回することによって作製される。しかしながら、一次側コイル11、一次側共振コイル12、二次側共振コイル81、二次側コイル82の材質は、銅以外の金属(例えば、金、アルミニウム等)であってもよい。また、一次側コイル11、一次側共振コイル12、二次側共振コイル81の材質は異なっていてもよい。
このような構成において、一次側コイル11及び一次側共振コイル12が電力の送電側であり、二次側共振コイル81が電力の受電側である。
磁界共鳴方式によって、一次側共振コイル12と二次側共振コイル81との間で生じる磁界共鳴を利用して送電側から受電側に電力を伝送するため、送電側から受電側に電磁誘導で電力を伝送する電磁誘導方式よりも長距離での電力の伝送が可能である。
磁界共鳴方式は、共振コイル同士の間の距離又は位置ずれについて、電磁誘導方式よりも自由度が高く、ポジションフリーというメリットがある。
図3は、受電器80を有するカート310を示す図である。カート310は、4つのキャスタ311、タブレットコンピュータ312、受電器80、DCDCコンバータ210、バッテリ220を有する。カート310は、移動体の一例である。受電器80で受電し、バッテリ220に充電される電力は、タブレットコンピュータ312の駆動に用いられる。
カート310は、床に送電器100を設置した工場等の施設内で作業員が手で押して利用する。送電器100は、床に埋め込まれており、充電ステーションになっている。タブレットコンピュータ312には、図示しないサーバと無線データ通信を行い、工場で製造する製品に必要な部品のリストが表示される。作業員は、カート310を押して部品棚に行き、タブレットコンピュータ312に表示される部品をピックアップしてカート310に載せて、組み立てエリアに持って行く。タブレットコンピュータ312は、送電器100と無線通信を行い、送電開始と送電終了の指令を送電器100に送信することができる。
作業員は、上述のような作業を行う間に、送電器100の上でカート310を停止させてバッテリ220を充電する。送電器100が送電を開始するのは、受電器80を搭載するカート310が送電器100のある位置に到着し、作業員の操作に基づいてタブレットコンピュータ312から送電開始の指令を受信したときである。また、送電を終了するのは、タブレットコンピュータ312から送電終了の指令を受信したときである。なお、従業員が手で押すカートの例を示したが自動で移動する搬送カートであってもよい。
図4は、一次側共振コイル12とカート310の二次側共振コイル81との位置関係を示す図である。図4(A)、(B)には、カート310の進行方向に対する幅方向(横方向)における一次側共振コイル12と二次側共振コイル81との位置関係を示す。なお、図4(A)、(B)ではカート310を簡略化して示すとともに、一次側コイル11及び二次側コイル82等を省略する。
ここで、図4(A)に示すように、一例として、カート310の幅は500mmであり、一次側共振コイル12の幅も500mmである。二次側共振コイル81の幅は300mmである。
図4(B)に示すように、カート310が右に100mmずれて充電ステーションに置かれたとする。そして、利用者の足FTのつま先が、一次側共振コイル12の左端の上の床を踏んだとする。このような場合には、利用者を保護するための防護対策が必要である。実施の形態の送電器100は、防護壁等を設けずに防護対策を実現する。以下、送電器100の防護対策の具体的な内容について説明する。
図5は、一次側共振コイル12の具体的な構成を示す斜視図である。一次側共振コイル12は、平面的に渦巻き状に巻回されているコイルであり、内側に位置するコイル部12Aと、外側に位置するコイル部12Bと、端部12A1、12B1とを有する。一次側共振コイル12は、端部12A1から端部12B1まで連続的に巻回されている。
コイル部12Aは、最も内側に位置する端部12A1から外側に向かってピッチP1で4回巻回されている。コイル部12Aは、第1コイル部の一例であり、ピッチP1は第1ピッチの一例である。
コイル部12Bは、コイル部12Aの端部12A1とは反対側の端から外側に向かって、端部12B1まで、ピッチP2で5回巻回されている。ピッチP2は、ピッチP1よりも大きい。コイル部12Bは、第2コイル部の一例であり、ピッチP2は第2ピッチの一例である。
このため、一次側共振コイル12は、端部12A1から端部12B1まで連続的に9回巻回されている。一次側共振コイル12の端部12A1から端部12B1までの太さは一定である。
図6は、一次側コイル11、一次側共振コイル12、二次側共振コイル81、及び二次側コイル82に生じる磁界の強度を示す図である。図6に示す磁界の強度は、一次側共振コイル12に定格電流を流した場合のものである。
ここでは、一次側共振コイル12と二次側共振コイル81の位置を示すが、一次側コイル11と二次側コイル82は省略する。一次側コイル11は、一次側共振コイル12の真下にあり、二次側コイル82は二次側共振コイル81の真上にある。
図6(A)、(B)には、一次側共振コイル12及び二次側共振コイル81の中心軸を通る断面における磁界の分布を示す。また、図6(A)、(B)には、一次側共振コイル12の上に床表面を示す。床表面は、一次側共振コイル12の20mm上である。
図6(A)には、一次側共振コイル12と二次側共振コイル81との中心が一致している場合(位置ずれなしの場合)の磁界分布を示す。図6(B)では、二次側共振コイル81は、図6(A)に示す二次側共振コイル81に対して、中心が右に100mmずれている。図6(A)、(B)に示す磁界の強度は、電磁界シミュレーションで求めたものである。
また、図6(A)では、磁界の強度を3段階に分け、16A/m未満の部分を白く示し、16A/m以上で80A/m未満の部分をグレーで示し、80A/m以上の部分を黒で示す。なお、80A/mという数値は、一例として、ICNIRP(国際非電離放射線防護委員会)2010で定められた人体の磁界への暴露限界値(適用限界値)である。
なお、電磁界シミュレーションの条件は、次の通りである。一次側共振コイル12及び二次側共振コイル81の共振周波数は85kHzであり、二次側共振コイル81の受電電力は20Wであり、一次側共振コイル12と二次側共振コイル81との上下方向の間隔は、100mmである。
また、一次側コイル11の外径は500mmであり、線径は1mmで1巻である。一次側共振コイル12の外径(コイル部12Bの最も外側の部分の外径)は500mmであり、コイル部12Aの最も内側の部分の内径は244mmである。一次側共振コイル12の線径は1mmであり、巻数はコイル部12Aが4巻でピッチが2mm、コイル部12Bが5巻でピッチが30mmである。
二次側共振コイル81の外径は300mmであり、最も内側の内径は140mmである。二次側共振コイル81の線径は1mmであり、巻数は9巻であり、ピッチは10mmである。二次側コイル82は、外径が300mmで線径が1mmであり、巻数は4巻でピッチは10mmである。
図6(A)に示すように、位置ずれがない場合には、強度が80A/m以上の磁界は、一次側共振コイル12の中心側(中心側の直径約285mmの範囲)と、二次側共振コイル81の中心側(中心側の直径約150mmの範囲)との間に生じている。強度が16A/m以上で80A/m未満の磁界は、その周囲で一次側共振コイル12及び二次側共振コイル81の全体を覆う範囲に存在している。強度が16A/m未満の磁界は、さらにその外側である。
これに対して、図6(B)に示すように、一次側共振コイル12に対して、二次側共振コイル81が右に100mmずれている場合には、強度が80A/m以上の磁界は、一次側共振コイル12の中心側(中心側の直径約300mmの範囲)と、二次側共振コイル81の中心側(中心側の直径約150mmの範囲)との間に生じている。一次側共振コイル12から見ると、強度が80A/m以上の磁界は、一次側共振コイル12の表面の近くでは中心側に位置しているが、二次側共振コイル81に近づくにつれ、右側に偏るように分布している。
強度が16A/m以上で80A/m未満の磁界は、その周囲で一次側共振コイル12及び二次側共振コイル81の全体を覆う範囲に存在している。強度が16A/m未満の磁界は、さらにその外側である。
このため、送電器100では、一次側共振コイル12に対して二次側共振コイル81が右に100mmずれている場合には、一次側共振コイル12の左端から中心方向にかけて約100mmの区間の床表面上(破線の楕円で囲んで示す部分)には、強度が16A/m以上で80A/m未満の磁界が分布している。
ここで、比較用に、一次側共振コイル12の代わりに、等ピッチで巻回した比較用の一次側共振コイルを用いて、二次側共振コイル81で受電した場合の磁界の分布について説明する。図7は、比較用の一次側共振コイル5及び二次側共振コイル81に生じる磁界の強度を示す図である。図7(A)、(B)には、図6(A)、(B)と同様に、一次側共振コイル5及び二次側共振コイル81の中心軸を通る断面における磁界の分布を示す。その他も図6(A)、(B)と同様である。
シミュレーションの条件は、一次側共振コイル5の外径が500mmであり、最も内側の部分の内径は244mmであり、線径が1mmであり、巻数が9巻でピッチが16mmであること以外は、図6に示す磁界強度を求めたシミュレーションの条件と同様である。
図7(A)に示すように、位置ずれがない場合には、強度が80A/m以上の磁界は、一次側共振コイル5の中心側の直径約400mmの範囲)と、二次側共振コイル81の中心側(中心側の直径約150mmの範囲)との間に生じている。強度が16A/m以上で80A/m未満の磁界は、その周囲で一次側共振コイル5及び二次側共振コイル81の全体を覆う範囲に存在している。強度が16A/m未満の磁界は、さらにその外側である。
これに対して、図7(B)に示すように、一次側共振コイル5に対して、二次側共振コイル81が右に100mmずれている場合には、強度が80A/m以上の磁界は、一次側共振コイル5の左端から右端までの略全域と、右に位置ずれした二次側共振コイル81の中心側(中心側の直径約150mmの範囲)との間に生じている。一次側共振コイル5から見ると、強度が80A/m以上の磁界は、床表面のレベルで一次側共振コイル5の左端から右端まで分布しており、二次側共振コイル81に近づくにつれ、右側に偏るように分布している。
強度が16A/m以上で80A/m未満の磁界は、その周囲で一次側共振コイル5及び二次側共振コイル81の全体を覆う範囲に存在している。強度が16A/m未満の磁界は、さらにその外側である。
このため、比較用の一次側共振コイル5では、一次側共振コイル5に対して二次側共振コイル81が右に100mmずれている場合には、一次側共振コイル5の左端から中心方向にかけて約100mmの区間の床表面上(破線の楕円で囲んで示す部分)には、強度が80A/m以上の磁界が分布している。
図8は、一次側共振コイルの種類と、位置ずれ、及び理想効率の関係を示す図である。位置ずれは、一次側共振コイル5の中心と二次側共振コイル81の中心との位置ずれであり、理想効率は、図6及び図7の磁界強度を求めるシミュレーションで求めたものである。理想効率は、効率の理論値である。
比較用の一次側共振コイル5で位置ずれがない(0mm)場合には、理想効率は88%であり、位置ずれが100mmの場合には、理想効率は86%であった。位置ずれが生じることにより、理想効率が2%低下したが、殆ど差がないと考えられる程度であった。
実施の形態の一次側共振コイル12で位置ずれがない(0mm)場合には、理想効率は88%であり、比較用の一次側共振コイル5と同一値であった。また、位置ずれが100mmの場合には、理想効率は84%であった。位置ずれが生じることにより、理想効率が低下し、比較用の一次側共振コイル5よりも2%低下したが、殆ど差がないと考えられる程度であった。
以上より、送電器100は、中心側の巻線ピッチが小さく、外側の巻線ピッチが大きい一次側共振コイル12を用いることで、磁界の強度が高い領域を中央よりに偏らせることができる。
そして、一次側共振コイル12に対する二次側共振コイル81の位置がない場合には、比較用の等ピッチの一次側共振コイル5を用いた場合と略同等の理想効率を得ることができ、同等の性能で電力伝送を行うことができる。
また、一次側共振コイル12に対して二次側共振コイル81の位置ずれが生じても、位置ずれがない場合と同等の理想効率で電力伝送を行える上に、位置ずれとは逆側の一次側共振コイル12の端部の表面上の空間における磁界の強度を防護対策が不要なレベルに保持することができる。すなわち、一次側共振コイル12に定格電流が流れることによってコイル部12Bの端部に発生する磁界の強度は、所定の防護指針によって決まる所定強度未満である。
このため、防護対策を行わなくても、人体の安全性を確保することができ、防護壁等を設ける必要がなくなり、使い勝手の良い送電器100を提供することができる。
なお、以上では、コイル部12Bのピッチを30mmに設定する形態について説明したが、コイル部12Bのピッチは30mmに限られない。図9は、コイル部12Bのピッチを変えた場合の磁界強度と効率(理想効率)の特性を示すシミュレーション結果である。
ここでは、電磁界シミュレーションの条件は、次の通りである。一次側共振コイル12及び二次側共振コイル81の共振周波数は85kHzであり、二次側共振コイル81の受電電力は20Wであり、一次側共振コイル12と二次側共振コイル81との上下方向の間隔は、100mmである。また、負荷回路として接続されるバッテリ220の抵抗は、10Ωである。
また、一次側コイル11の外径は500mmであり、線径は1mmで1巻である。二次側共振コイル81の外径は300mmであり、最も内側の内径は140mmである。二次側共振コイル81の線径は1mmであり、巻数は9巻であり、ピッチは10mmである。二次側コイル82は、外径が300mmで線径が1mmであり、巻数は4巻でピッチは10mmである。
ここで、一次側共振コイル12の外径(コイル部12Bの最も外側の部分の外径)を500mmに固定し、コイル部12Aの最も内側の部分の内径を244mmに固定し、コイル部12A及び12Bの合計の巻数を9巻に固定する。また、コイル部12Aと12Bの境界の位置を中心から260mmの位置に固定し、一次側共振コイル12の線径を1mmに固定する。
このような条件下で、一次側共振コイル12の中心に対して、二次側共振コイル81の中心が幅方向(例えば、図6(B)に示すように右方向)に100mmずれた状態で、一次側共振コイル12の逆側(例えば、図6(B)に示す左側)の端部から中心側に100mmの径方向の位置において、一次側共振コイル12の表面から20mmの高さにおける磁界強度を求めた。この磁界強度の観測点は、図6(B)に示す破線の楕円に右端に相当する。
また、磁界強度を求める際には、コイル部12Bのピッチを16mm、20mm、24mm、30mm、40mm、60mm、120mmに設定し、それぞれの場合の磁界強度を求めた。このようにコイル部12Bのピッチを変えると、コイル部12Bの巻数と、コイル部12Aのピッチ及び巻数とが変わる。なお、磁界強度は、コイル部12Bの外側の表面(図6(B)に破線の楕円で示す部分)における値の最大値である。
コイル部12Bのピッチを16mmから、20mm、24mm、30mm、40mm、60mm、120mmに増大させると、効率は、多少減少傾向であったが、すべて70%以上の良好な値が得られた。
また、磁界強度は、コイル部12Bのピッチが16mm、20mm、24mmのときには80A/m以上になったが、30mmから90mmの範囲内では、80A/m未満になった。90mmを超えると、80A/m以上になった。
ここで、一次側共振コイルの外径が500mmで内径が244mmの場合に、9巻で等ピッチにすると、ピッチは16mmになる。このため、30mmは、等ピッチ(16mm)の1.8倍であり、90mmは、等ピッチ(16mm)の5.6倍である。従って、コイル部12Bのピッチは、一次側共振コイルの外径及び内径を固定した条件下で、等ピッチの1.8倍以上、5.6倍以下に設定すればよいと言える。
また、以上では、一次側共振コイル12が平面視で渦巻き状である形態について説明したが、一次側共振コイル12は、平面視で他の形状を有していてもよい。図10は、実施の形態の変形例の一次側共振コイル12Mを示す図である。図10では、XYZ座標系を定義する。
一次側共振コイル12Mは、内側に位置するコイル部12MA、外側に位置するコイル部12MB、及び、端部12MA1、12MB1を有する。一次側共振コイル12Mは、X軸方向の長さがX1であり、Y軸方向の長さがY1である。X軸方向は、カート310の幅方向に対応し、Y軸方向は、カート310の移動方向に対応する。長さX1は、長さY1より長い。
一次側共振コイル12Mは、4つのセクション12M1、12M2、12M3、12M4に分けることができる。セクション12M1と12M2は、X軸方向の両端に位置する。セクション12M1と12M2の内部では、コイル部12MB及びコイル部12MAは、半円状に巻回されており、コイル部12MBのピッチは、コイル部12MAのピッチよりも大きい。
セクション12M3と12M4は、X軸方向の中央で、Y軸正方向側とY軸負方向側とに配置されている。セクション12M3と12M4の内部では、コイル部12MBとコイル部12MAのピッチは、セクション12M1と12M2の内部におけるコイル部12MBとコイル部12MAのピッチよりも小さい。セクション12M3と12M4の内部では、コイル部12MBのピッチがコイル部12MAのピッチよりも大きくても、等しくてもよい。
このような一次側共振コイル12Mでは、図5に示す一次側共振コイル12の左右端に相当するような形状を有するセクション12M1と12M2があるため、磁界強度の高い部分は、X軸方向における中央部に存在することになる。
このため、一次側共振コイル12Mを用いている場合に、二次側共振コイル81の位置がX軸方向にずれても、防護対策を行わずに人体の安全性を確保することができ、防護壁等を設ける必要がなくなり、使い勝手の良い送電器を提供することができる。
また、以上では、一次側共振コイル12(図5参照)が、コイル部12Aと、コイル部12Aよりも外側に位置し、コイル部12Aよりもピッチが大きいコイル部12Bを有する形態について説明した。
しかしながら、図11に示すようにしてもよい。図11は、実施の形態の変形例の一次側共振コイル12Nを示す図である。一次側共振コイル12Nは、内側に位置するコイル部12NA、外側に位置するコイル部12NB、及び、端部12NA1、12NB1を有する。コイル部12NAと12NBは、端部12NA1から端部12NB1まで等ピッチで巻回されており、コイル部12NBが巻回されるギャップは、コイル部12NAが巻回されるギャップよりも広い。換言すれば、コイル部12NAと12NBは、端部12NA1から端部12NB1まで等ピッチで巻回されており、コイル部12NBは、コイル部12NAよりも細い線幅を有する。
コイル部12NAは、等ギャップで4回巻回されており、コイル部12NBは等ギャップで5回巻回されている。ギャップとは、複数回巻回されるコイル部12NA同士の間の間隔(導体間の間隔)であり、複数回巻回されるコイル部12NB同士の間の間隔(導体間の間隔)である。
このため、一次側共振コイル12(図5参照)と同様に、磁界強度が中央側に偏った分布になる。従って、一次側共振コイル12Nに対して二次側共振コイル81の横方向の位置ずれが生じても、位置ずれがない場合と同等の理想効率で電力伝送を行える上に、位置ずれとは逆側の一次側共振コイル12Nの表面上の空間における磁界の強度を防護対策が不要なレベルに保持することができる。
このため、防護対策を行わなくても、人体の安全性を確保することができ、防護壁等を設ける必要がなくなり、使い勝手の良い送電器を提供することができる。
また、図11に示すように、コイル部12NBが巻回されるギャップがコイル部12NAが巻回されるギャップよりも広い一次側共振コイル12Nにおいても、図10に示す一次側共振コイル12Mのように、幅方向の中央側のセクション(セクション12M3と12M4に相当するセクション)においてはコイル部12NBと12NAのギャップが等しく、幅方向の両端側のセクション(セクション12M1と12M2に相当するセクション)において、コイル部12NBのギャップが12NAのギャップよりも大きくなるようにしてもよい。
以上、本発明の例示的な実施の形態の送電器について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
平面的に巻回される二次側共振コイルを有する受電器に、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を送電する一次側共振コイルと、
前記一次側共振コイルに高周波の送電電力を出力する高周波電源と
を含み、
前記一次側共振コイルは、第1ピッチで巻回される第1コイル部と、
平面視で前記第1コイル部の外側に接続され、前記第1ピッチよりも大きい第2ピッチで巻回される第2コイル部と
を有し、
前記第2コイル部に定格電流が流れることによって前記第2コイル部の端部に発生する磁界の強度は、所定の防護指針によって決まる所定強度未満である、送電器。
(付記2)
前記第2ピッチは、前記第1コイル部のうち最も内側の部分が巻回される第1内径と、前記第2コイル部のうち最も外側の部分が巻回される第1外径との間において、前記一次側共振コイルと同一の巻数で等ピッチでコイルを巻回した場合のピッチの1.8倍から5.6倍である、付記1記載の送電器。
(付記3)
前記受電器は、前記送電器に対して移動する移動体に搭載されており、前記第2コイル部は、前記移動体の移動方向に対する幅方向の両側において、前記第1コイル部の前記第1ピッチよりも大きい第2ピッチで巻回される、付記1又は2記載の送電器。
(付記4)
前記第1コイル部及び前記第2コイル部のコイル幅は、一端から他端まで均一である、付記1乃至3のいずれか一項記載の送電器。
(付記5)
平面的に巻回される二次側共振コイルを有する受電器に、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を送電する一次側共振コイルと、
前記一次側共振コイルに高周波の送電電力を出力する高周波電源と
を含み、
前記一次側共振コイルは、第1ギャップで巻回される第1コイル部と、
平面視で前記第1コイル部の外側に接続され、前記第1ギャップよりも大きい第2ギャップで巻回される第2コイル部と
を有し、
前記第2コイル部に定格電流が流れることによって前記第2コイル部の端部に発生する磁界の強度は、所定の防護指針によって決まる所定強度未満である、送電器。
(付記6)
前記受電器は、前記送電器に対して移動する移動体に搭載されており、前記第2コイル部は、前記移動体の移動方向に対する幅方向の両側において、前記第1コイル部の前記第1ギャップよりも大きい第2ギャップで巻回される、付記5記載の送電器。
1 交流電源
11 一次側コイル
12 一次側共振コイル
12A、12B、12MA、12MB、12NA、12NB コイル部
12A1、12B1、12MA1、12MB1、12NA1、12NB1 端部
13 整合回路
14 キャパシタ
30 負荷装置
50 電力伝送システム
80 受電器
81 二次側共振コイル
82 二次側コイル
83 整流回路
84 平滑キャパシタ
100 送電器
110 制御部
210 DCDCコンバータ
220 バッテリ
310 カート
311 キャスタ
311A センサ
312 タブレットコンピュータ

Claims (6)

  1. 平面的に巻回される二次側共振コイルを有する受電器に、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を送電する一次側共振コイルと、
    前記一次側共振コイルに高周波の送電電力を出力する高周波電源と
    を含み、
    前記一次側共振コイルは、第1ピッチで巻回される第1コイル部と、
    平面視で前記第1コイル部の外側に接続され、前記第1ピッチよりも大きい第2ピッチで巻回される第2コイル部と
    を有し、
    前記第2コイル部に定格電流が流れることによって前記第2コイル部の端部に発生する磁界の強度は、所定の防護指針によって決まる所定強度未満である、送電器。
  2. 前記第2ピッチは、前記第1コイル部のうち最も内側の部分が巻回される第1内径と、前記第2コイル部のうち最も外側の部分が巻回される第1外径との間において、前記一次側共振コイルと同一の巻数で等ピッチでコイルを巻回した場合のピッチの1.8倍から5.6倍である、請求項1記載の送電器。
  3. 前記受電器は、前記送電器に対して移動する移動体に搭載されており、前記第2コイル部は、前記移動体の移動方向に対する幅方向の両側において、前記第1コイル部の前記第1ピッチよりも大きい第2ピッチで巻回される、請求項1又は2記載の送電器。
  4. 前記第1コイル部及び前記第2コイル部のコイル幅は、一端から他端まで均一である、請求項1乃至3のいずれか一項記載の送電器。
  5. 平面的に巻回される二次側共振コイルを有する受電器に、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を送電する一次側共振コイルと、
    前記一次側共振コイルに高周波の送電電力を出力する高周波電源と
    を含み、
    前記一次側共振コイルは、第1ギャップで巻回される第1コイル部と、
    平面視で前記第1コイル部の外側に接続され、前記第1ギャップよりも大きい第2ギャップで巻回される第2コイル部と
    を有し、
    前記第2コイル部に定格電流が流れることによって前記第2コイル部の端部に発生する磁界の強度は、所定の防護指針によって決まる所定強度未満である、送電器。
  6. 前記受電器は、前記送電器に対して移動する移動体に搭載されており、前記第2コイル部は、前記移動体の移動方向に対する幅方向の両側において、前記第1コイル部の前記第1ギャップよりも大きい第2ギャップで巻回される、請求項5記載の送電器。
JP2017136564A 2017-07-12 2017-07-12 送電器 Pending JP2019022268A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017136564A JP2019022268A (ja) 2017-07-12 2017-07-12 送電器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017136564A JP2019022268A (ja) 2017-07-12 2017-07-12 送電器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019022268A true JP2019022268A (ja) 2019-02-07

Family

ID=65353177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017136564A Pending JP2019022268A (ja) 2017-07-12 2017-07-12 送電器

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2019022268A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7443825B2 (ja) 2020-03-02 2024-03-06 Tdk株式会社 コイル部品

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009136048A (ja) * 2007-11-29 2009-06-18 Meleagros Corp 電力伝送装置、電力伝送装置の送電装置および受電装置
JP2010539887A (ja) * 2007-09-19 2010-12-16 クゥアルコム・インコーポレイテッド 無線電力磁気共振器から生じた電力を最大化すること
KR20120014878A (ko) * 2010-08-10 2012-02-20 김영성 무접점 충전기용 코일 및 이 코일을 제조하기 위한 권선 용구
US20130154383A1 (en) * 2011-12-16 2013-06-20 Qualcomm Incorporated System and method for low loss wireless power transmission
WO2013179639A1 (ja) * 2012-05-28 2013-12-05 パナソニック株式会社 無接点コネクタシステム
JP2015095656A (ja) * 2013-11-11 2015-05-18 サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド. 非接触方式の電力伝送コイル及び非接触方式の電力供給装置
JP2015106938A (ja) * 2013-11-28 2015-06-08 Tdk株式会社 送電コイルユニット及びワイヤレス電力伝送装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010539887A (ja) * 2007-09-19 2010-12-16 クゥアルコム・インコーポレイテッド 無線電力磁気共振器から生じた電力を最大化すること
JP2009136048A (ja) * 2007-11-29 2009-06-18 Meleagros Corp 電力伝送装置、電力伝送装置の送電装置および受電装置
KR20120014878A (ko) * 2010-08-10 2012-02-20 김영성 무접점 충전기용 코일 및 이 코일을 제조하기 위한 권선 용구
US20130154383A1 (en) * 2011-12-16 2013-06-20 Qualcomm Incorporated System and method for low loss wireless power transmission
JP2015509281A (ja) * 2011-12-16 2015-03-26 クアルコム,インコーポレイテッド 低損失ワイヤレス電力送信のためのシステムおよび方法
WO2013179639A1 (ja) * 2012-05-28 2013-12-05 パナソニック株式会社 無接点コネクタシステム
JP2015095656A (ja) * 2013-11-11 2015-05-18 サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド. 非接触方式の電力伝送コイル及び非接触方式の電力供給装置
JP2015106938A (ja) * 2013-11-28 2015-06-08 Tdk株式会社 送電コイルユニット及びワイヤレス電力伝送装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7443825B2 (ja) 2020-03-02 2024-03-06 Tdk株式会社 コイル部品

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10361589B2 (en) Power transmission device, and power transmitter and power receiver for the same
EP2884504B1 (en) Wireless power transmission device with power feeding coil unit
US9742199B2 (en) Contactless power supply system and contactless extension plug
Waffenschmidt et al. Limitation of inductive power transfer for consumer applications
EP2889885B1 (en) Power feeding coil unit and wireless power transmission device
EP3167532B1 (en) Resonator balancing in wireless power transfer systems
US9805862B2 (en) Electronic component, power feeding apparatus, power receiving apparatus, and wireless power feeding system
EP2924842B1 (en) Coil unit and wireless power transmission device
US9716390B2 (en) Power feeding coil unit and wireless power transmission device
JP6303684B2 (ja) コイルユニットおよびワイヤレス電力伝送装置
US9431989B2 (en) Power transmitting device, electronic equipment and wireless power transmission system
KR20190143242A (ko) 전자파 차폐 기능을 가지는 무선충전기
JP2020145349A (ja) コイルユニット、ワイヤレス送電装置、ワイヤレス受電装置、及びワイヤレス電力伝送システム
JP2019022268A (ja) 送電器
KR101241499B1 (ko) 공진 코일 및 이를 이용한 무선 전력 전송 장치
JP6737301B2 (ja) ワイヤレス電力伝送システム
US11955812B2 (en) Non-contact power feeding device
JP6040510B2 (ja) 電力伝送システム
JP6140786B2 (ja) 電力伝送装置
JP7069913B2 (ja) コイルユニット、ワイヤレス送電装置、ワイヤレス受電装置、及びワイヤレス電力伝送システム
KR20150120216A (ko) 무선 전력 송신 장치
KR102559302B1 (ko) 안테나 장치 및 이를 포함하는 무선전력 송수신 시스템
JP7259467B2 (ja) 電力伝送装置
HIJIKATA et al. Wireless Power Transfer System for Mobile Robots via Magnetic Resonant Coupling with Impedance Matching
KR101163944B1 (ko) 공진 코일 및 이를 이용한 무선 전력 전송 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200409

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210226

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210316

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20211102