JP2021072645A - 給電装置、受電装置、および非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、ファラデーの電磁誘導の法則に基づいて、給電装置、受電装置及び非接触給電システムを安価に提供する。【解決手段】給電装置及び受電装置を有する非接触給電システムであって、給電コイル１１（１１ａ、１１ｂ）と受電コイル４１とを、非飽和状態とし、負荷のＱを２０未満とし、給電コイルに扁平で幅広の平行二線路を用い、複数組の位相調整手段を設け、交流電源から大きな励磁電流を供給することによって、長尺であり、シームレスな非接触給電を行う。【選択図】図１

Description

この発明は、大気中、電磁波信号の伝搬損失が大気中での伝搬損に比較して大きい物質中、塩分濃度が０％から５％までの真水中もしくは海水中、あるいはこれらの組み合わせの中で、近距離間から中距離間であり、ファラデーの電磁誘導の法則に基づき、変動磁界によって誘導結合する給電装置、受電装置、および非接触給電システムを実現するためのものである。

従来の「非接触給電装置および非接触給電システム」では、給電装置の給電コイルを平打ち導体によって構成し、前記平打ち導体と高誘電率の絶縁物とをサンドイッチ状に重ね合わせ、フラットワイズ巻とし、前記給電コイルに浮遊容量を付加して前記位相調整手段の負担を軽減し、経済化を図ることができるとされている。
また、前記給電コイルを扁平であり幅広の平行二線路として道路面に水平に設置し、受電装置の受電コイルを四角形のコイルとして前記給電コイルと対向して移動体に設置するとされている。

また、前記給電コイルと並列に接続された位相調整手段が誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスとから構成され、前記励磁電流を循環させることで、交流電源の負担を軽減するとされている。
また、前記給電コイルを路面下に埋設する場合に、前記給電コイルの下面に、非磁性体の良導体板を配置することで、路面下に存在する物体に生じる渦電流損を軽減するとともに、前記良導体板とは逆方向に向けて変動磁界の放射を増大させる効果が期待できるとされている。

しかしながら、従来の方法では、前記給電コイルと前記下面の良導電体板との間隔を狭くすると、前記給電コイルに供給される励磁電流によって、前記良伝導体板に前記励磁電流とは逆向きの渦電流が循環するために、前記給電コイルから上方向に向けて放射される変動磁界が相殺され、前記受電装置の受電コイルに誘起する起電力を減衰させる問題点があり、更に、交流電源から給電コイルに供給される励磁電流に含まれる高調波成分によって、前記位相調整手段の誘導性リアクタンスに大きな損失を生じ、不要輻射（スプリアス）を増大させ、交流電源の給電効率を低下させる等の問題点があった。

ＰＣＴ／ＪＰ２０１７／０１６２２３、段落[００５２]および段落[００５３]

この発明は、上記のような従来の問題点を解消するために、交流電源から給電コイルに供給される励磁電流に含まれる高調波成分を抑制し、給電コイルから放射される電磁波を抑制して、給電効率を改善するとともに、前記給電コイルの下面に、渦電流を抑制するための渦電流抑制手段を設けた浮遊容量付加手段を設け、および/あるいは磁路付加手段を設けることを特徴とする、給電装置、受電装置、および非接触給電システムを安価に提供することを目的とする。

この発明に係わる給電装置、受電装置、および非接触給電システムは、交流電源から供給される励磁電流によって、前記給電コイルから変動磁界を効率よく放射するための給電装置と、前記放射された変動磁界によって受電コイルに誘起する起電力を蓄電手段および/あるいは負荷抵抗に供給するための受電装置とから構成される非接触給電システムであって、

前記給電装置が、給電コイルと、当該給電コイルに励磁電流を流すための交流電源と、前記励磁電流の位相を調整するための第一の位相調整手段と、第二の位相調整手段とを備え、前記給電コイルと、前記第二の位相調整手段とを、並列に接続して、共振状態とし、前記第一の位相調整手段を、誘導性リアクタンスと、容量性リアクタンスとの直列接続として、共振状態とし、

前記第一の位相調整手段を、前記給電コイルと前記並列に接続した第二の位相調整手段との接続点と、前記交流電源との間に直列に接続することで、前記給電コイルの両端の電圧を、非共振状態時の電圧に抑圧し、電磁波の放射を抑制し、不要輻射（スプリアスを含む）を抑制する。
また、前記第一の位相調整手段から放射される変動磁界および/あるいは変動電界が、外部に放射されるのを抑制するための遮蔽手段を有し、シールドケース、磁気シールド、電界シールド、閉磁路コイル、および/あるいはＥＭＩ対策手段を更に有する。

ここで、前記給電コイルは、長手方向が平行に対向するように配置された、一対の扁平であり幅広の導体により構成され、前記第一の位相調整手段は、誘導性リアクタンスと、容量性リアクタンスとの直列接続であり、前記第二の位相調整手段は容量性リアクタンスであり、前記交流電源と、前記第一の位相調整手段と、前記第二の位相調整手段と、前記給電コイルとが、ＬＣ−ＣＬ共振形帯域通過フイルタあるいは２次バターワースＢＰＦを構成して前記給電コイルに供給される励磁電流の高調波成分を抑制するとともに、前記給電コイルの両端の電圧を、非共振状態の電圧に抑圧して、電磁波の放射を抑制し、不要輻射（スプリアスを含む）を抑制する。

また、前記第三の位相調整手段が、前記給電コイルと直列に、単独で、もしくは間隔をおいて複数組が設けられ、前記交流電源と、前記第一の位相調整手段と、前記第二の位相調整手段と、前記第三の位相調整手段と、前記給電コイルとが、ＬＣ−ＣＬ−ＣＬ共振形帯域通過フイルタあるいは３次バターワースＢＰＦを構成し、前記給電コイルに供給される励磁電流の高調波成分を抑制し、不要輻射を抑制し、前記給電コイルの線路長を延長する効果を有する。
また、前記給電コイルの下面に、渦電流抑制手段を有する浮遊容量付加手段が設けられ、および/あるいは磁路付加手段が設けられ、前記給電コイルの上方向への変動磁界の放射を促進し、および/あるいは下方への変動磁界の放射を抑制する。

上記の構成において、前記交流電源から供給される励磁電流の角振動数をω、前記交流電源に接続される誘導性リアクタンスをωＬ₀、前記交流電源に接続される容量性リアクタンスを（１／ωＣ₀）、前記交流電源に接続される実効負荷抵抗をＲ0とした時に、−０．５＜（ωＬ₀−（１/ωＣ₀）)＜０．５の範囲内で広帯域とし、０＜（ωＬ₀／Ｒ₀）＜２０、あるいは０＜（Ｒ₀／ωＬ₀）＜２０とすることで、前記給電コイルの両端の電圧が、前記交流電源の電圧の２０倍未満となり、前記給電コイが共振状態であっても、前記給電コイルの両端の電圧が非共振状態時の電圧に抑圧され、電磁波の放射を抑制し、不要輻射を抑制する。

一方、電磁誘導を用いて電力が供給される受電装置が、受電コイルと、前記受電コイルに誘起する起電力の位相を調整するための位相調整手段とを備え、前記受電コイルと位相調整手段とが並列および/あるいは直列に接続され、前記受電コイルが受電した電力を蓄電する蓄電手段および/あるいは負荷抵抗を備え、前記受電コイルが角形コイルであり、かつ前記給電コイルと水平方向および/あるいは垂直方向に結合するものとする。
また、前記交流電源と給電コイルとの間に、伝送線路トランスを用いた昇圧トランスあるいは降圧トランスを有し、前記給電コイルに供給する励磁電流を増大することができる。

上記の構成において、前記交流電源から供給される励磁電流の角振動数をω、前記受電コイルの誘導性リアクタンスをωＬ₂、上記位相調整手段の容量性リアクタンスを（１／ωＣ₂）、前記受電装置が備える蓄電手段の内部抵抗および/あるいは負荷抵抗をＲ₂とした際に、−０．５＜（ωＬ₂−（１／ωＣ₂））＜０．５の範囲内で広帯域であり、０＜（ωＬ₂／Ｒ₂）＜２０、あるいは０＜（Ｒ₂／ωＬ₂）＜２０とすることで、前記受電コイルの両端の電圧が、前記交流電源の電圧の２０倍未満となり、前記受電コイが共振状態であっても、前記受電コイルの両端の電圧が非共振状態時の電圧に抑圧され、電磁波の再放射を抑制する。

以上の説明から明らかなように、本発明の給電装置、受電装置、および非接触給電システムでは、扁平であり幅広の平行二線路の給電コイルと角形の受電コイルとを、水平方向および/あるいは垂直方向に対向させ、非接触給電が可能であり、給電コイルが５００ｍを超える長スパンであり、非接触給電がシームレスで実現可能であり、１ｋＷを超える大電力の給電が可能であり、複数の受電装置に対応し、高効率であり、給電コイルと受電コイルとの相互間で、位置ずれの影響が少なくかつ広帯域であり、デジタル情報の通信機能を有する、装置およびシステムを安価に実現できる利点がある。

（ａ）本発明の実施例１における非接触給電システムの構成図 （ｂ）本発明の実施例２における非接触給電システムの配置図 本発明の実施例３における給電装置の他の構成図 本発明の実施例４における給電コイルの断面図 本発明の実施例５における給電装置の等価回路 本発明の実施例６における給電装置の他の等価回路 （ａ）本発明の実施例７における給電コイルの断面図 （ｂ）本発明の実施例８における給電コイルの他の断面図 （ｃ）本発明の実施例９における給電コイルの他の断面図

以下、本発明を実施するための形態について、図に基づいて説明する。

図１（ａ）は本発明の実施例１における非接触給電システムの構成図であり、１１ａ、１１ｂは扁平で幅広の給電コイル、１２ａ、１２ｂは給電コイルの入力端子、１３は給電コイルの断面図、３０は配電装置、３１は交流電源、３２ａ、３２ｂは前記給電コイル１１ａ、１１ｂと直列に接続された第一の位相調整手段、３３は前記給電コイル１１ａ、１１ｂと並列に接続された第二の位相調整手段、４１は受電コイル、６１は蓄電手段および/あるいは負荷抵抗、６２は整流手段あるいは直流への変換手段、６３は受電装置（記載せず）、６４は受電コイル４１と並列および/あるいは直列に接続された位相調整手段である。

ここで、前記給電コイル１１ａ、１１ｂのＸ−Ｘ’断面を図６（ａ）および（ｂ）に示すように、扁平で幅広の平行二線路を用い、複数枚の絶縁された幅広の薄板を間隔を狭めて並列に接続し、空心であり、非飽和状態であり、前記受電コイルの共振電圧を非共振時と等価な状態に抑制しており、水平方向に設置され、受電コイルとは水平方向および/あるいは垂直方向に結合しており、あるいはこれらの組合せであり、給電コイル１１ａ、１１ｂには交流電源３１から大きな励磁電流が供給され、高出力の変動磁界を放射しており、ファラデーの法則に基づく、磁界誘導によって受電コイル４１から高出力の起電力を誘起することができる。
ただし、扁平で幅広の平行二線路の間隔を狭め過ぎると、放射される変動磁界のピーク値は高くなるが、放射幅が狭くなる傾向がある。

また、従来の平行二線路の特性インピーダンスが５０Ωから２７７Ω程度であるのに対し、前記扁平で幅広の平行二線路では特性インピーダンスを数Ω以下に設定できることから、前記平行二線路を移動体の移動方向に沿って長いスパンで設置し、交流電源から大きな無効電力の励磁電流を供給し、給電サービスエリア内に設置し、シームレスで長尺の給電コイルを構成し、あるいはこれらの組合せによって、複数の移動体に搭載された受電コイル４１に対し、同時および/あるいは個別に大電力の非接触給電を可能にできる効果が得られる。
しかし、給電コイルに大きな無効電力の励磁電流を出力するためには、交流電源３１から大きな無効電流を供給する必要が生じ、前記交流電源にとって大きな負担となるとともに、給電効率を低下させる問題が生じる。

そこで、容量性リアクタンス３３（コンデンサ）からなる第二の位相調整手段を前記給電コイル１１ａ、１１ｂと並列に接続して共振状態とし、誘導性リアクタンス３２ａ（リアクタ）と容量性リアクタンス３２ｂ（コンデンサ）とを直列に接続して第１の位相調整手段とし、交流電源３１と、前記給電コイルと第二の位相調整手段との接続点、との間に直列に接続し、ＬＣ−ＣＬ形帯域通過フイルタあるいは２次バターワースＢＰＦを構成し、前記給電コイルに供給される励磁電流の高調波成分を抑制するとともに、前記励磁電流（無効電流）を前記給電コイルと前記第二の位相調整手段との間で還流させることによって、前記交流電源には無効電流が流れず、前記交流電源の負担を大幅に軽減できるメリットが得られる。

即ち、第二の位相調整手段３３と給電コイルとの間を循環する励磁電流をＩ₀とし、交流電源の電圧Ｅ_inによって供給される電流をＩ_inとし、給電コイルのリアクタンスをωＬ₁とすると、キルヒホッフの法則から、
Ｉ₀＝（Ｅ_in/ｊωＬ₁) - - -（１）
Ｉ_in≒0 - - -（２）
となり、前記励磁電流は、前記給電コイルと前記第二の位相調整手段との間を、無効電流として循環し、交流電源には給電コイルの損失分と、受電コイルに流れる実効電流相当分としか流れないことになる。

このとき、前記給電コイルと前記第二の位相調整手段との共振電圧は交流電源の電圧Ｅ_inと同一かあるいは若干の上昇があるにしても、前記給電コイルの両端の電圧が、非共振状態時の電圧に抑圧されることから、前記給電コイルと前記第二の位相調整手段とが、共振状態であるが、前記給電コイルの両端の電圧が、前記共振状態の第一の位相調整手段のリアクタンスが０Ωに近いために、前記交流電源の電圧に引き下げられ、非共振状態時の電圧に抑圧されることになる。

更に、前記第一の位相調整手段３２ａ、３２ｂ、および/あるいは配電装置３０から放射される変動磁界および/あるいは変動電界が、外部に放射されるのを抑制するための遮蔽手段を有し、シールドケース、磁気シールド、電界シールド、閉磁路コイル、不要輻射（スプリアスを含む）抑制手段、あるいは必要なＥＭＩ対策手段を更に有する。
また、前記交流電源と給電コイルとの間に、伝送線路トランスを用いた昇圧トランスあるいは降圧トランスを有し、前記給電コイルに供給する励磁電流を増大させるができる。

図１（ｂ）は本発明の実施例２における非接触給電システムの配置図であり、１１は扁平で幅広の平行二線路の給電コイル、１２ａｂは給電コイルの入力端子、３０は配電装置、４１は受電コイル、６３は受電装置、８０は絶縁物、１００は給電コイルと受電コイルとの間隔である。
ここで、前記給電コイルの材料にアルミ材を用いて軽量化し、フレキシブルな基板を用いて柔軟性を持たせ、前記交流電源と商用電源とを重畳することで送配電線および/あるいは屋内配線と共用して経済性を図り、あるいはこれらを組み合わせることによって、軽量化と経済化を実現することができる。

また、前記給電コイルに柔軟な材料を用い、柔軟な構成・構造とし、高誘電率の絶縁物を含浸させて防水処理を行い、あるいはこれらの組合せによって、前記給電コイルを巻取り手段に巻き取って輸送し、巻戻しながら設置することによって、長スパンの給電コイルの設置工事の経済化を図ることができる。
また、前記給電コイルと、前記第二の位相調整手段と、前記給電コイルの周辺に存在する浮遊容量とを含め、共振状態とするが、前記給電コイルの両端の電圧が、前記共振状態の第一の位相調整手段のリアクタンスが０Ωに近いために、前記交流電源の電圧に引き下げられ、非共振状態時の電圧に抑圧されることになり、前記給電コイルから放射される電磁波信号を抑制することが可能となり、人体への影響を軽減できると共に、給電効率を改善でき、前記受電コイルに大きな起電力を高い効率で誘起することが可能となる。

以下に、図１（ａ）および図１（ｂ）に基づいて、本発明の作用および動作原理について記述する。
前記給電コイルを扁平で幅広の平行二線路として道路面に水平に設置し、前記受電コイルを多数巻きの角形コイルとし、前記受電コイルを前記給電コイルと水平に対向して移動体に設置し、前記給電コイルに接続される交流電源３１の電圧をＥ_in×Ｓin(ωt)とすると、
前記受電コイルに誘起する起電力Ｅoutは、
Ｅ_out＝-dΦ/dt＝[（Ｅ_in×Ｎ2×Ｓ2）/（Ｌy×ACOSH（Ｌx/ｗ）×(√2×Ｄ1）]Ｓin(ωt) - - -（３）
となり、前記交流電源の発振周波数とは無関係に起電力が誘起し、広帯域であることを示す。

ここで、Ｌy＝給電コイルの長辺、Ｌx＝給電コイルの短辺、w＝給電コイルの幅、Ｄ1＝給電コイルと受電コイルとの間隔、Ｎ2＝受電コイルの巻き数、Ｓ2＝受電コイルの面積とする。
また、前記（３）式によれば、前記受電コイルに誘起する起電力が、(1)交流電源の電圧に比例して増加し、(2)受電コイルの巻き数Ｎ2と面積Ｓ2とに比例して増加し、(3)給電コイルと受電コイルとの間隔Ｄ1に反比例して減少し、(4)給電コイルの線路長Ｌｙに反比例して減少し、(5)線路の特性インピーダンスACOSH（Ｌx/ｗ）に反比例して増加する、ことを示している。

また、前記受電コイルの誘導性リアクタンスωＬ₂と、蓄電手段の内部抵抗および/あるいは負荷抵抗Ｒ₂との関係がωＬ₂＜＜Ｒ₂の場合には、前記受電コイルが非共振状態であっても、前記蓄電手段および/あるいは負荷抵抗Ｒ₂に流れる電流Ｉ_outは、
Ｉ_out＝E_out/(Ｒ₂+jωＬ₂)≒Ｅout/Ｒ₂ - - -（４）
となり、前記蓄電手段および/あるは負荷抵抗Ｒ₂に実効電流が流れ、大気中でも海水中でも非接触給電が可能となる、ことを示す。

あるいは、前記関係ωＬ₂＜＜Ｒ₂が成立しない場合でも、前記受電コイルと直列および/あるいは並列に接続した位相調整手段を備え、前記交流電源から供給される励磁電流の角振動数をω、前記受電コイルの誘導性リアクタンスをωＬ₂、前記受電コイルと直列および/あるいは並列に接続された位相調整手段の容量性リアクタンスを（１/ωＣ₂）とすると、−０．５＜（ωＬ₂−（１／ωＣ₂））＜０．５の範囲内で広帯域であり、０＜（ωＬ₂／Ｒ₂）＜２０、あるいは０＜（Ｒ₂／ωＬ₂）＜２０とすることで、前記受電コイルが共振状態でありながら、受電コイルの両端の共振電圧が交流電源の電圧の２０倍未満であり、前記受電コイルから再放射される電磁波信号が抑制されるので、給電効率が改善されるとともに、大気中でも海水中でも非接触給電が可能となり、かつ磁力波信号を用いて広帯域のデジタル通信が可能となる。

一方、前記給電コイルにおいて、前記交流電源から供給される励磁電流の角振動数をω、前記交流電源に接続される誘導性リアクタンスをωＬ₀、前記交流電源に接続される容量性リアクタンスを（１／ωＣ₀）、前記交流電源に接続される実効負荷抵抗をＲ₀とすると、−０．５＜（ωＬ₀−（１/ωＣ₀））＜０．５の範囲内で広帯域であり、０＜（ωＬ₀／Ｒ₀）＜２０、あるいは０＜（Ｒ₀／ωＬ₀）＜２０とすることで、前記給電コイルの両端の電圧が、前記交流電源の電圧の２０倍未満となり、前記給電コイルが共振状態であっても、前記給電コイルの両端の電圧が非共振状態時の電圧に抑圧され、前記給電コイルから放射される電磁波信号が抑制され、給電効率が改善されるとともに、広帯域となり、人体への影響を軽減し、大気中でも海水中でも非接触給電が可能となり、かつ磁力波信号を用いて広帯域のデジタル通信が可能となる。

また、前記磁力波信号は、変動電界（電波）の放射を抑制し、変動磁界の放射を利用するための無線信号であり、図１（ｂ）に示す非接触給電システムにおいては、給電コイルと受電コイルとの間の結合が密であることから、給電コイルからデジタル通信のために放射される変動磁界信号は、広帯域であり、双方向であり、規制されない（免許を要しない）微弱な放射磁界に該当するレベルとなる。

また、前記受電コイルに誘起する起電力が前記給電コイルの誘導性リアクタンスに反比例することから、前記給電コイルの下面に近接して浮遊容量を付加することで、前記給電コイルの誘導性リアクタンスが低くなり、前記給電コイルに供給される励磁電流を増加でき、あるいは上方への放射磁界を増加できることから、受電コイルに誘起する起電力を増加できる効果が期待できる。

また、前記給電コイルを扁平で幅広の平行二線路を用いて構成し、複数組を並列および/あるいは直列に接続し、ＬＣ−ＣＬ共振形帯域通過フイルタあるいは２次バターワースＢＰＦ、あるいはＬＣ−ＣＬ−ＣＬ共振形帯域通過フイルタあるいは３次バターワースＢＰＦを構成することで、高調波信号の放射を抑制し、長辺が５００ｍを超える、長尺でシームレスな非接触給電システムが実現できる利点が得られる。
また、前記長尺の給電コイル全体を、耐熱良熱伝導性樹脂成型品に封じ込め、絶縁物により含浸し、耐摩耗性の被覆に収納し、全体が柔軟であり、マット状とすることで、地面あるいは床上などに仮設して運用できる。

図２は本発明の実施例３における給電装置の他の構成図であり、１１ａ、１１ｂは扁平で幅広の給電コイル、１２ａ、１２ｂは給電コイルの入力端子、３０は配電装置、３１は交流電源、３２ａ、３２ｂは前記交流電源３１と直列に接続された第一の位相調整手段、３３は前記給電コイル１１ａ、１１ｂと並列に接続された第二の位相調整手段、３４ａ、３４ｂは給電コイル１１ａ、１１ｂと、１１ｃ、１１ｄとの間に、直列に接続される第三の位相調整手段である。

ここで、前記第一の位相調整手段と、前記第二の位相調整手段と、前記第三の位相調整手段と、前記給電コイルとは、ＬＣ−ＣＬ−ＣＬ共振形帯域通過フイルタあるいは３次バターワースＢＰＦを構成し、かつ給電コイル１１ａ、１１ｂの端子間の電圧と、給電コイル１１ｃ、１１ｄの端子間の電圧を交流電源の電圧に引き下げることで、電磁波の放射を抑制することができる。

また、新たに前記第三の位相調整手段を設けることによって、前記扁平で幅広の平行二線路の誘導性リアクタンスを低下させることが可能であり、前記交流電源の出力電圧をそのままにして、前記平行二線路の線路長を延長できることになる。
また、追加する第三の位相調整手段は、２倍の容量値のものを、上りおよび下り方向にバランスさせて接続することができる。

図３は、本発明の実施例４における給電コイルの断面図であり、１１ａ、１１ｂは扁平で幅広の平行二線路を用いた給電コイル、８０は絶縁材、８１は平行二線路下面に設けた良導電体板および/あるいは良磁性体を用いた浮遊容量付加手段のX-X'断面図、およびY1-Y1'断面図、８１ａから８１ｐはスリットを設けた渦電流抑制手段によって分割された浮遊容量付加手段のY2-Y2'断面図を示す。

ここで、前記浮遊容量付加手段の渦電流抑制手段（スリット部分）の間隔は、交流電源の周波数に応じて設定され、前記浮遊容量付加手段の短辺方向に渦電流抑制手段を設けて渦電流を遮断し、平行二線路の特性インピーダンスを低下させ、平行二線路に供給する励磁電流を増加させ、変動磁界を上方向へ効率よく放射する効果が期待出来る。
あるいは、前記浮遊容量付加手段の代わりに磁路付加手段が用いられ、フエライト等、自体で渦電流を抑制できる場合には、前記渦電流抑制手段を設けずとも、平行二線路の下方に放射される変動磁界を抑制し、変動磁界を上方向へ効率よく放射させる効果が期待出来る。

また、前記平行二線路を多層のフレキシブルな素材あるは基板を用いて構成し、接続端子１２ａ、１２ｂを設け、かつ中心部分にスリットを設けて平行二線路とする層と、間隔を置いて渦電流抑制手段（高抵抗手段あるいは絶縁手段あるいはスリット部分）を複数組設けて浮遊容量付加手段とする層と、および/あるいは渦電流抑制手段を有さず磁路付加手段のみとする層と、を設けることで、長尺でフレキシブルであり、シームレスなものが製作可能であり、製造コストおよび輸送コストを低減できるメリットが得られる。
あるいは、前記絶縁材８０の厚みを増加させることで、前記浮遊容量付加手段、および/あるいは磁路付加手段の影響を軽減しながら、下面に存在する金属物体による影響を軽減することができる。

なお、交流電源の周波数によっては、表皮効果によって平行二線路の損失抵抗が増大することから、平行二線路は、箔状あるいはリボン状であり、扁平で幅広の導体であり、表皮効果の２倍以下の厚みのもの複数枚を重ね、前記複数枚を並列に接続し、あるいはこれらの組合せを用いる必要がある。
また、前記平行二線路を試作して温度分布を測定した結果では、導体厚さが３５ミクロンの基板の場合、周波数が直流から１ＭＨｚを超えるまでは抵抗値の増加は観測されず、前記平行二線路の中心部分（スリット部分）あるいは端部など、部分的に交流電流が集中して発熱する現象は観測されなかった。

図４は、本発明の実施例５における給電装置の等価回路であり、１１ａ、１１ｂは給電コイル、１２ａ、１２ｂは給電コイルの入力端子、３０は配電装置、３１は交流電源、３２ａ、３２ｂは直列に接続された第一の位相調整手段、３３は並列に接続された第２の位相調整手段、８１ａから８１ｐは給電コイルの分布容量あるいは渦電流抑制手段（スリット部分）を有する浮遊容量付加手段によって付加された浮遊容量、１１ａ、１１ｂは前記給電コイル１１の分布インダクタンスである。

ここで、前記給電コイルの特性インピーダンスＺ₀（Ω）は、単長当りのインダクタンスをＬ₀(H)とし、単位長当りの容量をＣ₀(F)とすると、Ｚ₀＝(Ｌ₀/Ｃ₀)^0.5から求められ、平行二線路の幅を広くしてＬ₀を小さくし、下面に付加する磁路でＬ₀を小さくし、下面に付加する浮遊容量値Ｃ₀を大きくすることで、前記平行二線路の特性インピーダンスＺ₀を低く出来ることから、前記平行二線路の長さを延長しても、交流電源の出力電圧が一定のままで、大きな励磁電流を供給することが可能となり、給電コイルの全長を延長し、長尺で、シームレスな給電コイルが実現できる。

図５は、本発明の実施例６における給電装置の他の等価回路であり、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは給電コイルの分布インダクタンス、１２ａ、１２ｂは給電コイルの入力端子、３０は配電装置、３１は交流電源、３２ａ、３２ｂは直列に接続された第一の位相調整手段、３３は並列に接続された第二の位相調整手段、３４ａ、３４ｂは直列に接続された第三の位相調整手段、８１ａｂ、８１ｃｄは給電コイル１１ａと１１ｂ、および１１ｃと１１ｄの間の分布容量である。

ここで、前記給電コイルの入力リアクタンスは、特性インピーダンスから求められる誘導性リアクタンスωＬ_in（Ω）と、直列に接続される第三の位相調整手段の容量性リアクタンス１/ωＣ_in（Ω）とから求められ、前記第三の位相調整手段を接続することによって、(ωＬ_in）−(１/ωＣ_in))となり、ωＬ_in＞(１/ωＣ_in)の範囲において、前記入力リアクタンスを必要な値まで低くできることから、前記平行二線路の長さを延長しても、交流電源の出力電圧が一定のままで、必要な励磁電流を増加きることになり、給電コイルの全長を延長し、長尺で、シームレスな給電コイルが実現できる。

また、前記第一の位相調整手段と、前記第二の位相調整手段と、前記第三の位相調整手段とで、ＬＣ−ＣＬ−ＣＬ共振形帯域通過フイルタあるいは３次バターワースＢＰＦを構成し、前記交流電源から供給される高調波成分を抑制し、前記給電コイルから放射される不要輻射を抑制すると共に、給電効率を改善できる。

ただし、前記給電コイルにおいて、前記交流電源から供給される励磁電流の角振動数をω、前記交流電源に接続される誘導性リアクタンスをωＬ₀、前記交流電源に接続される容量性リアクタンスを（１／ωＣ₀）、前記交流電源に接続される実効負荷抵抗をＲ₀とした時に、−０．５＜（ωＬ₀−（１/ωＣ₀））＜０．５の範囲内で広帯域であり、０＜（ωＬ₀／Ｒ₀）＜２０、あるいは０＜（Ｒ₀／ωＬ₀）＜２０を満足させる必要がある。

図６（ａ）は、本発明の実施例７における給電コイルの他の断面図であり、１１ａ１から１１ａ３および１１ｂ１から１１ｂ３は絶縁物を介して積層された扁平で幅広の導体を用いた平行二線路、８０は絶縁物、８２ａ１、８２ａ２は平行二線路の中心部分から垂直な方向に放射される変動磁界、８２ｂ１、８２ｂ２、８２ｃ１、８２ｃ２は平行二線路と水平な方向に放射される変動磁界である。

ここで、前記扁平で幅広の導体１１ａ１から１１ａ３、および１１ｂ１から１１ｂ３は、表皮効果が許容値内である、扁平で幅広の平角、箔状、あるいはリボン状である複数の導体であり、絶縁物を介して積層され、並列に接続されており、フレキシブルであり、水平方向に配置され、多層構造であり、フレキシブルなプリント基板であり、あるいはこれらの組合せで構成され、前記平行二線路の中心部分から垂直方向８２ａ１、８２ａ２、および水平方向８２ｂ１、８２ｂ２、８２ｃ２、８２ｃ２に向けて、変動磁界が集中して放射される。

そこで、前記角形の受電コイルを、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、前記平行二線路と水平に配置すると、前記角形の受電コイルに大きな起電力が集中して誘起し、しかも、前記角形の受電コイルと変動磁界との結合は広い範囲で維持され、前記受電コイルが左右方向にずれても、ほぼ受電コイルの短辺の長さで左右に移動しても、誘起する起電力がほぼ均一に維持される利点が得られる。
また、前記変動磁界のピーク値は前記平行二線路の中心部分の間隔（スリット部分）の幅が狭いほど増加するが、前記受電コイルと結合する磁束の合計はほぼ一定であることから、前記間隔（スりット部分）の幅は、前記給電コイルと受電コイルとの位置合わせに要求される、許容範囲に設定するものとする。

一方、前記平行二線路から垂直方向８２ａ１に放射された変動磁界は、水平方向８２ｂ１、８２ｃ１に循環し、前記平行２線路の下面において、水平方向８２ｂ２、８２ｃ２に循環し、垂直方向８２ａ２へと循環するものと考えられる。
その結果、前記角形の受電コイルを前記平行二線路に対し、水平方向に配置しても、あるいは垂直方向に配置しても、いずれの場合も前記受電コイルに起電力が誘起することになり、上面に配置しても、下面に配置しても、あるいは両面に配置しても、いずれの場合も前記受電コイルに起電力が誘起することになる。

ただし、前記垂直方向に配置された受電コイルが、前記平行二線路の中心部分に来ると、起電力がほとんど誘起しなくなる位置があるので、前記垂直方向の受電コイルは左右に少なくとも二組を設け、並列に用いおよび/あるいは切替えて用いるなどの対策が必要となる。
そこで、前記給電コイルと受電コイルとが垂直方向に結合して複数組の受電装置を構成し、前記複数組の受電装置から各インホイールモーターに対して電力を供給することができる。

図６（ｂ）は、本発明の実施例８における給電コイルの他の断面図であり、１１ａ１から１１ａ３および１１ｂ１から１１ｂ３は絶縁物を介して積層された扁平で幅広の導体を用いた平行二線路、８０は絶縁物、８１ａから８１ｐは前記渦電流抑制手段を有する浮遊容量付加手段、８２ａ１、８２ａ２は平行二線路の中心部分から垂直な方向に放射される変動磁界、８２ｂ１、８２ｂ２、８２ｃ１、８２ｃ２は平行二線路と水平な方向に放射される変動磁界である。

ここで、前記渦電流抑制手段を有する浮遊容量付加手段８１ａから８１ｐの下面から放射される変動磁界は、前記平行二線路１１ａ１から１１ａ３および１１ｂ１から１１ｂ３の上面から放射される変動磁界より低く抑制されており、その差分は、絶縁物８０の中を左右方向に放射されており、前記渦電流抑制手段を有する浮遊容量付加手段８１ａから８１ｐの下面に存在する導電物質に誘導結合する変動磁界を抑制できる効果が得られる。

また、渦電流抑制手段を有する浮遊容量付加手段８１ａから８１ｐを追加することで、前記平行二線路に浮遊容量を付与できることから、前記平行二線路の特性インピーダンスを低下させ、励磁電流を増加でき、放射磁界を強化することが出来る。
なお、前記角形の受電コイルが、平行二線路の長辺の方向に向けて移動した場合には、前記角形の受電コイルに誘起する起電力の変動は緩やかであり、長尺であり、かつシームレスな平行二線路に沿って、安定した非接触給電が実現できる。

図６（ｃ）は、本発明の実施例９における給電コイルの他の断面図であり、１１ａ１から１１ａ３および１１ｂ１から１１ｂ３は絶縁物を介して積層された扁平で幅広の導体を用いた平行二線路、８０は絶縁物、９１は磁路付加手段、８２ａ１、８２ａ２は平行二線路の中心部分から垂直な方向に放射される変動磁界、８２ｂ１、８２ｂ２、８２ｃ１、８２ｃ２は平行二線路と水平な方向に放射される変動磁界である。

ここで、前記磁路付加手段９１は、フエライトなど、低損失の磁性材料で構成され、板状および/あるいはシート状でフレキシブルであり、前記平行二線路の下面に積層されており、変動磁界が線路の下面方向に放射されるのを抑制するため、線路の下面に存在する金属の影響を軽減できる効果が期待できる。
ただし、前記平行二線路に近接して磁性材を積層すると、線路の特性インピーダンスが増加し、励磁電流が減少するため、スペーサーを設けて特性インピーダンスの増加を抑制するなどの考慮を要する。

以上の説明では、前記給電コイルと受電コイルとが、空心であり、非飽和状態で用いることによって、軽量であり、給電コイルおよび受電コイルに大きな電流が流せるので、大容量の給電装置、受電装置、および非接触給電システムが高い給電効率で実現できることについて述べたが、同時に、前記給電コイルと受電コイルともに、前記受電コイルの両端の電圧を非共振状態の電圧に抑圧できるため、電磁波の放射を抑制し、不要輻射（スプリアスを含め）を抑制することによって、大気中、真水中、もしくは海水中で、長尺であり、シームレスな、高効率の、給電装置、受電装置、および非接触給電システムを安価に実現できるなど、多様な展開が可能となる。

本発明は上記のように構成されているため、本発明を利用して、走行中あるいは停車中のＥＶへの大電力の非接触給電を可能とし、大気中もしくは海水中で、歩行中、走行中、潜航中、あるいは停止中のロボットへの大電力の非接触給電を可能とし、規制されない程度の微弱な磁力波信号を用いてデジタル情報ネットワークを構成し、非接触給電システムの効率化を図り、安全な移動を可能とし、あるいはこれらの組合せを含む広範囲な用途への応用あるいは適用が可能である。

１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 給電コイル
１２ａ、１２ｂ、１２ａｂ 接続端子
３０ 配電装置
３１ 交流電源
３２ａ、３２ｂ 直列に接続する第一の位相調整手段
３３ 並列に接続する第二の位相調整手段
３４ａ、３４ｂ 直列に接続する第三の位相調整手段
４１ 受電コイル

６１ 蓄電手段および/あるいは負荷抵抗
６２ 整流手段
６３ 受電装置
６４ 直列および/あるいは並列に接続する位相調整手段
８０ 絶縁物
８１ａから８１ｐ 渦電流抑制手段を有する浮遊容量付加手段
８２ａ１、８２ａ２ 垂直方向の放射変動磁界
８２ｂ１、８２ｂ２、８２ｃ１、８２ｃ２ 水平方向の放射変動磁界
９１ 磁路付加手段
１００ 給電コイルと受電コイルとの間隔

Claims (19)

1. 電磁誘導を用いて受電装置に電力を供給し、受電装置が備える蓄電手段および/あるいは負荷抵抗に、当該電力を給電するための給電装置であって、
   給電コイルと、
   当該給電コイルに励磁電流を流すための交流電源と、
   上記励磁電流の位相を調整するための第一の位相調整手段と、第二の位相調整手段とを備え、
   上記第一の位相調整手段を、誘導性リアクタンスと、容量性リアクタンスとの直列接続として、共振状態とし、
   上記第二の位相調整手段を容量性リアクタンスとし、上記給電コイルと並列に接続して、共振状態とし、
   上記第一の位相調整手段を、上記給電コイルと上記並列に接続した第二の位相調整手段との接続点と、上記交流電源との間に直列に接続することによって、
   上記給電コイルの両端の電圧を、上記交流電源の電圧の２０倍未満として、非共振状態の電圧に抑圧する
   ことを特徴とする給電装置。
2. 上記給電コイルを、長手方向が平行に対向するよう配置し、一対の扁平であり幅広な導体により構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の給電装置。
3. 上記第一の位相調整手段から、変動磁界および/あるいは変動電界が、外部に放射されるのを抑制するための遮蔽手段を有する
   ことを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の給電装置。
4. 上記交流電源と、上記第一の位相調整手段と、上記第二の位相調整手段と、上記給電コイルとが、ＬＣ−ＣＬ共振形帯域通過フイルタあるいは２次バターワースＢＰＦを構成する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の給電装置。
5. 上記給電コイルが第三の位相調整手段を有し、
   上記第三の位相調整手段が、容量性リアクタンスであり、上記給電コイルと直列に設ける
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の給電装置。
6. 上記第三の位相調整手段が、上記給電コイルの入力インピーダンスを低下させ、および/あるいは上記給電コイルを延長可能とする
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の給電装置。
7. 上記第一の位相調整手段と、上記第二の位相調整手段と、上記第三の位相調整手段と、上記給電コイルとが、ＬＣ−ＣＬ−ＣＬ共振形帯域通過フイルタあるいは３次バターワースＢＰＦを構成する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の給電装置。
8. 上記給電コイルの下面に、渦電流抑制手段を有する浮遊容量付加手段を設け、および/あるいは磁路付加手段を設ける
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の給電装置。
9. 上記給電コイルが、巻取り手段に巻き取り輸送され、巻取り手段を巻戻しながら設置される
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の給電装置。
10. 上記給電コイルが、送配電線あるいは屋内配線を兼ねている
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の給電装置。
11. 上記交流電源と上記給電コイルとの間に、昇圧トランスあるいは降圧トランスを有する
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の給電装置。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の給電装置から、電磁誘導を用いて電力が供給される受電装置であって、
    受電コイルと、
    上記受電コイルに誘起する起電力の位相を調整するための位相調整手段と、
    上記受電コイルが受電した電力を蓄電する蓄電手段および/あるいは負荷抵抗と、
    を備えた受電装置。
13. 上記位相調整手段が上記受電コイルと直列および/あるいは並列に接続され、
    前記受電コイルの誘導性リアクタンスをωＬ₂、上記位相調整手段の容量性リアクタンスを（１／ωＣ₂）、前記受電装置が備える蓄電手段の内部抵抗および/あるいは負荷抵抗をＲ₂とした際に、−０．５＜（ωＬ₂−（１／ωＣ₂）)＜０．５であり、０＜（ωＬ₂／Ｒ₂）＜２０であり、あるいは０＜（Ｒ₂／ωＬ₂）＜２０である
    ことを特徴とする請求項１２に記載の受電装置。
14. 上記受電コイルが角形コイルであり、かつ上記給電コイルと水平方向および/あるいは垂直方向に結合する
    ことを特徴とする請求項１２から１３のいずれかに記載の受電装置。
15. 上記受電装置から、インホイールモーターに電力を供給する
    ことを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の受電装置。
16. 請求項１から１１のいずれかに記載の給電装置と、請求項１２から１５のいずれかに記載の受電装置と
    を備えた非接触給電システム。
17. 上記受電装置を複数組有する
    ことを特徴とする請求項１６に記載の非接触給電システム。
18. 上記交流電源から供給される励磁電流の角振動数をω、上記交流電源に接続される位相調整手段の誘導性リアクタンスをωＬ₀、上記交流電源に接続される位相調整手段の容量性リアクタンスを（１／ωＣ₀）、上記交流電源に負荷される実効抵抗をＲ₀とすると、
    −０．５＜（ωＬ₀−（１／ωＣ₀）)＜０．５であり、０＜（ωＬ₀／Ｒ₀）＜２０であり、あるいは０＜（Ｒ₀／ωＬ₀）＜２０である
    ことを特徴とする請求項１６から１７のいずれかに記載の非接触給電システム。
19. 上記給電コイルおよび/あるいは上記受電コイルから放射される変動磁界を用いたデジタル情報の通信機能を有する
    ことを特徴とする請求項１６から１８のいずれかに記載の非接触給電システム。

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