JP5570570B2 - 無線電力送信装置 - Google Patents

Description

本発明は無線電力送信装置に関し、より詳しくは、無線電力受信装置との電力転送効率を増加させ、外部に漏出される磁場の量を減少させることができる無線電力送信装置に関する。

無線で電気エネルギーを所望の機器に伝達する無線電力転送技術は、既に１８００年代に電磁気誘導原理を用いた電気モータや変圧器が使われ始めて、その後にはラジオ波やレーザーのような電磁波を放射して電気エネルギーを転送する方法も試みられた。私達がしばしば使用する電動歯ブラシや一部無線カミソリも実際は電磁気誘導原理により充電される。現在まで無線方式によるエネルギー伝達方式は、磁気誘導、共振、及び短波長無線周波数を用いた遠距離送信技術などがある。

最近にはこのような無線電力転送技術のうち、共振を用いたエネルギー伝達方式がたくさん使われている。

共振を用いた無線電力転送システムは、無線電力送信装置と無線電力受信装置との間に形成された電気信号がコイルを通じて無線で伝えられるため、使用者は携帯用機器のような電子機器を難無く充電することができる。

しかしながら、共振を用いたエネルギー伝達方式は、送信側で発生する磁場が外部に漏出される現象が発生することがある。漏出された磁場は人体に露出されて健康に有害な影響を及ぼすことがある。

本発明の目的は、共振による電力転送がなされる過程における無線電力送信装置と無線電力受信装置との間に発生する磁場の外部への漏出を最小化し、電力転送の効率性が極大化できる無線電力送信装置を提供することにある。

本発明の実施形態に従う無線電力送信装置は、受信装置と共振するよう構成されたコイル及びキャパシタを含み、上記コイルは複数のセルグループ及び上記複数のセルグループを連結するコアを含み、上記複数のセルグループの各々は複数のセルを含み、各セルグループの複数のセルは上記複数のセルに流れる電流により発生する磁場が同一な方向に形成されるように構成され、各セルグループは１つ以上の隣接したセルグループを有し、上記各セルグループ及び上記コアは１つの導線からなることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、次のような効果がある。

第１に、無線電力送信装置のコイル構造を改善して磁場の外部への漏出を最小化することができる。

第２に、無線電力送信装置と無線電力受信装置との間の電力転送効率を極大化することができる。

本発明の一実施形態に従う無線電力転送システムを示す。 本発明の一実施形態に従う送信コイルの等価回路図である。 本発明の一実施形態に従う電力ソースと送信部の等価回路である。 本発明の一実施形態に従う受信用共振コイル、受信コイル、平滑回路、及び負荷の等価回路を示す。 本発明の一実施形態に従う無線電力送信装置の構成例である。 本発明の一実施形態に従う無線電力送信装置の構成例の平面図である。

本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的または辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の発明を最も最善の方法により説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に立脚して本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されなければならない。

したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に図示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎないものであり、本実施形態の技術的思想を全て代弁するものではないので、本出願時点でこれらを代えることができる多様な均等物と変形例がありえることを理解すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に従う無線電力転送システムを示す。

電力ソース１０で生成された電力は送信部２０に伝えられ、共振現象により送信部２０と共振をなす、即ち、共振周波数値が同一な受信部３０に伝えられる。受信部３０に伝えられた電力は整流回路４０を経て負荷５０に伝えられる。負荷５０は充電池またはその他の電力を必要とする任意の装置でありうる。

より具体的に説明すると、電力ソース１０は所定周波数の交流電力を提供する交流電力ソースである。

送信部２０は、送信コイル２１と送信用共振コイル２２とから構成される。送信コイル２１は電力ソース１０と連結され、交流電流が流れる。送信コイル２１に交流電流が流れれば、電磁気誘導により物理的に離隔されている送信用共振コイル２２にも交流電流が誘導される。送信用共振コイル２２に伝えられた電力は共振により送信部２０と共振回路をなす受信部３０に伝えられる。

インピーダンスがマッチングされた２つのＬＣ回路の間は共振により電力が転送できる。このような共振による電力転送は電磁気誘導による電力転送より遠い距離までより高い効率で電力伝達可能にする。

受信部３０は、受信用共振コイル３１と受信コイル３２とから構成される。送信用共振コイル２２により送信された電力は、受信用共振コイル３１により受信されて受信用共振コイル３１に交流電流が流れるようになる。受信用共振コイル３１に伝えられた電力は電磁気誘導により受信コイル３２に伝えられる。受信コイル３２に伝えられた電力は整流回路４０を通じて整流されて負荷５０に伝えられる。

図２は、本発明の一実施形態に従う送信コイル２１の等価回路図である。図２に示すように、送信コイル２１はインダクターＬ１とキャパシタＣ１とから構成され、これらにより適切なインダクタンスとキャパシタンス値を有する回路を構成するようになる。キャパシタＣ１は可変キャパシタであることがあり、可変キャパシタを調節してインピーダンスマッチングを遂行することができる。送信用共振コイル２２、受信用共振コイル３１、受信コイル３２の等価回路も図２に図示したものと同一である。

図３は、本発明の一実施形態に従う電力ソース１０と送信部２０の等価回路である。図３に示すように、送信コイル２１と送信用共振コイル２２は、各々所定インダクタンス値とキャパシタンス値を有するインダクターＬ１、Ｌ２とキャパシタＣ１、Ｃ２とから構成される。

図４は、本発明の一実施形態に従う受信用共振コイル３１、受信コイル３２、平滑回路４０、及び負荷５０の等価回路を示す。

図４に示すように、受信用共振コイル３１と受信コイル３２は、各々所定インダクタンス値とキャパシタンス値を有するインダクターＬ３、Ｌ４とキャパシタＣ３、Ｃ４とから構成される。平滑回路４０は、ダイオードＤ１と平滑キャパシタＣ５とから構成され、交流電力を直流電力に変換して出力する。負荷５０は１．３Ｖの直流電源で表示されているが、直流電力を必要とする任意の充電池または装置でありうる。

図５は、本発明の一実施形態に従う無線電力送信装置の構成例である。

無線電力送信装置は、コイル１００及びキャパシタ２００を含む。

一実施形態において、共振を用いて無線電力受信装置３０に電力転送が遂行される場合、コイル１００は図１で説明した送信用共振コイル２２でありうる。

一実施形態において、電磁気誘導を用いて無線電力受信装置３０に電力転送が遂行される場合、コイル１００は図１で説明した送信誘導コイル２１でありうる。

コイル１００は、図４で説明した無線電力受信装置３０の受信用共振コイル３１と共振結合して共振を用いて電力を転送することができる。

キャパシタ２００は、無線電力受信装置３０と共振周波数で動作するように可変キャパシタで構成される。

コイル１００は複数のセルグループ、即ち第１セルグループ１１０、第２セルグループ１２０、第３セルグループ１３０、第４セルグループ１４０、及びコア１５０を含む。図５において、コイル１００はセルグループが４個を含むものと図示しているが、これに限定されず、４個以上のセルグループを含むことができる。

第１セルグループ１１０、第２セルグループ１２０、第３セルグループ１３０、第４セルグループ１４０、及びコア１５０は全て１つの導線で具現できる。

好ましくは、導線は銅でありうる。

各セルグループの複数のセルが形成する平面は矩形または三角形のうち、いずれか１つの形状であるが、これに限定される必要はなく、多様な形態の平面で形成できる。

第２セルグループ１２０は第１セルグループ１１０に隣接し、第３セルグループ１３０は第２セルグループ１２０に隣接し、第４セルグループ１４０は第３セルグループ１３０に隣接する。

第１セルグループ１１０は、第１セル１１０ａ、第２セル１１０ｂ、及び第３セル１１０ｃを含む。

第１セル１１０ａと第２セル１１０ｂとの間の間隔は、第２セル１１０ｂと第３セル１１０ｃとの間の間隔と同一である。

第１セル１１０ａ、第２セル１１０ｂ、及び第３セル１１０ｃが形成する平面は互いに平行である。

第２セルグループ１２０は、第１セル１２０ａ、第２セル１２０ｂ、及び第３セル１２０ｃを含む。

第１セル１２０ａと第２セル１２０ｂとの間の間隔は、第２セル１２０ｂと第３セル１２０ｃとの間の間隔と同一である。

第１セル１２０ａ、第２セル１２０ｂ、及び第３セル１２０ｃが形成する平面は互いに平行である。

第１セルグループ１１０の第１セル１１０ａ、第２セル１１０ｂ、第３セル１１０ｃと、第２セルグループ１２０の第１セル１２０ａ、第２セル１２０ｂ、第３セル１２０ｃとはコア１５０により互いに垂直に連結される。

即ち、コア１５０は各セルグループに含まれた各セルを連結させることができる。一実施形態におけるコア１５０は銅で構成される。

第３セルグループ１３０は、第１セル１３０ａ、第２セル１３０ｂ、及び第３セル１３０ｃを含む。

第１セル１３０ａと第２セル１３０ｂとの間の間隔は、第２セル１３０ｂと第３セル１３０ｃとの間の間隔と同一である。

第１セル１３０ａ、第２セル１３０ｂ、及び第３セル１３０ｃが形成する平面は互いに平行である。

第４セルグループ１４０は、第１セル１４０ａ、第２セル１４０ｂ、及び第３セル１４０ｃを含む。

第１セル１４０ａと第２セル１４０ｂとの間の間隔は、第２セル１４０ｂと第３セル１４０ｃとの間の間隔と同一である。

第１セル１４０ａ、第２セル１４０ｂ、及び第３セル１４０ｃが形成する平面は互いに平行である。

第３セルグループ１３０の第１セル１３０ａ、第２セル１３０ｂ、第３セル１３０ｃと、第４セルグループ１４０の第１セル１４０ａ、第２セル１４０ｂ、第３セル１４０ｃとはコア１５０により互いに垂直に連結される。

また、第１及び第２セルグループ１１０、１２０と第３及び第４セルグループ１３０、１４０もコア１５０により連結される。

外部に連結されした電力ソースにより電流は第３セルグループ１３０の第１セル１３０ａの上に図示したように、矢印方向、即ち時計方向に第１セル１３０ａをまわって流れた後、コア１５０を通じて第４セルグループ１４０の第１セル１４０ａに流れ込む。その後、電流は時計反回り方向に第１セル１４０ａをまわって流れた後、コア１５０を通じて第２セル１３０ｂに流れ込む。

このような過程を繰り返した後、第３セル１４０ｃをまわって出た電流は、コア１５０を通じて第２セルグループ１２０の第３セル１２０ｃに流れ込んで、上記のような過程を繰り返す。即ち、第２セルグループ１２０の第３セル１４０ｃに流れ込んだ電流は第３セル１４０ｃに沿って時計反回り方向に一回り回った後、コア１５０を通過し、第１セルグループ１１０の第３セル１１０ｃに流れ込む。第３セル１１０ｃで流れ込んだ電流は時計方向に第３セル１１０ｃを一回り回った後、コア１５０を通過して、また第２セルグループ１２０の第２セル１２０ｂに流れ込む。以後の過程は前述したものと同一に展開される。

電流が各セルに流れるによって、磁場は第３セルグループ１３０の各セル１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃの中央に入る方向に形成され、第４セルグループ１４０の各セル１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃの中央から出る方向に形成される。なぜならば、電流の流れに従う磁場の形成方向はアンペールの右ねじの法則に従うためである。

このように磁場が形成されれば、第３セルグループ１３０に流れる電流により形成される磁場と第４セルグループ１４０に流れる電流により形成される磁場は、第３セルグループ１３０の中央に集中的に形成され、各セルグループにより磁場の形成方向が変わることができる。

磁場の形成方向が変更される原理は、次の通りである。

第２セルグループ１２０の中央から上方に形成される磁場のうちの一部は、第２セルグループ１２０と隣接した第１セルグループ１１０の中央に入る磁場により影響を受けて第１セルグループ１１０の中央に入る。反対になる極性を用いて磁場が進む方向が変更される原理である。

同様に、第２セルグループ１２０の中央から上方に形成される磁場のうちの一部は、第２セルグループ１２０と隣接した第３セルグループ１３０の中央に入る磁場により影響を受けて第３セルグループ１１０の中央に入る。

第２セルグループ１２０に隣接した第１セルグループ１１０及び第３セルグループ１３０は、第２セルグループ１２０で形成された一部の磁場の方向を変更させて外部に漏出される磁場の量を最小化することができ、同時に各セルグループにより形成される磁場を特定の方向に集中させることができる。

図５ではコイル１００の上方に形成された磁束線のみを図示しているが、コイル１００の下方に形成された磁束線も上記のような原理で図示される。

結果的に、このような無線電力送信装置のコイル１００構造は、上方または下方に形成される磁場の方向を変更させて外部に漏出される磁場の量を最小化させることができる。外部に漏出される磁場の量が最小化されれば、人体に悪影響を及ぼす状況が防止できる。

同時に、上記コイル１００構造は磁場を集中的に形成して電力転送効率を極大化させることができる。

図６は、本発明の一実施形態に従う無線電力送信装置の構成例の平面図である。

無線電力送信装置を上から見た場合、コイル１００は図６に図示したように表すことができる。

コイル１００は複数のセルグループを含む。各セルグループは複数のセルを含み、各セルグループの複数のセルが形成する平面は互いに平行である。

各セルグループは、１つ以上の隣接したセルグループを有する。

図６に図示した矢印方向の通り各セルに電流が流れれば、磁場はアンペールの右ねじの法則に各セルには磁場が入るか出る方向に形成される。

各セルグループは、複数のセルにより磁場が集中して入るか出る方向に形成することができ、コイル１００の上方または下方は反対になる極性を用いて磁場が進む方向を変えることができる。

このような無線電力送信装置のコイル１００の構造は、磁場の出るか入る方向を変えて、上方または下方に漏出される磁場を最小化して、人体有害性を防止することに助けになることができ、同時に磁場を集中的に形成して電力転送効率を極大化させることができる。

Claims (12)

1. 無線電力送信装置であって、
   無線電力受信装置と共振するコイル及びキャパシタを含み、
   前記コイルは複数のセルグループ及び前記複数のセルグループを互いに連結するコアを含み、
   前記複数のセルグループの各々は複数のセルを含み、
   前記複数のセルグループにおける各セルグループの複数のセルは、前記複数のセルに流れる電流により発生する磁場が同一な方向に形成されるように構成され、
   各セルグループは、
   前記コアの一方の側に配置されるように前記コアに接続された第１セルグループと、
   前記コアの他方の側に配置されるように前記コアに接続された第２セルグループとを含み、
   前記第１セルグループのセルおよび前記第２セルグループのセルは、前記コアに交互に接続され、
   前記セルグループ及び前記コアは１つの導線からなり、
   前記複数のセルグループのうち、前記第１セルグループ及び前記第２セルグループで形成される磁場の方向は互いに異なることを特徴とする、無線電力送信装置。
2. 前記第１セルグループで形成される磁場は前記第１セルグループの中央下向きに形成され、前記第２セルグループで形成される磁場は前記第２セルグループの中央上向きに形成されることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力送信装置。
3. 前記第２セルグループで発生する磁場の一部は、前記第１セルグループが発生する磁場の極性によって進む方向が変更されて、前記第１セルグループの中央に入ることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力送信装置。
4. 前記第１セルグループの複数のセルと前記第２セルグループの複数のセルは時計方向及び時計反回り方向に交互に巻かれることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力送信装置。
5. 前記第１セルグループの複数のセルと前記第２セルグループの複数のセルは時計方向及び時計反回り方向に交互に巻かれて積層されることを特徴とする、請求項４に記載の無線電力送信装置。
6. 前記発生された磁場の方向はアンペールの右ねじの法則に従うことを特徴とする、請求項１に記載の無線電力送信装置。
7. 前記各セルグループの複数のセル間の間隔は同一であることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力送信装置。
8. 前記各セルグループ及び隣接したセルグループの複数のセルは前記コアにより垂直に連結されたことを特徴とする、請求項１に記載の無線電力送信装置。
9. 前記各セルグループの複数のセルが形成する平面は互いに平行したことを特徴とする、請求項１に記載の無線電力送信装置。
10. 各セルグループの複数のセルが形成する平面は、矩形、三角形のうち、いずれか１つであることを特徴とする、請求項９に記載の無線電力送信装置。
11. 前記複数のセルは１回以上巻かれた導線で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力送信装置。
12. 前記導線は銅であることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力送信装置。

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