JP5592241B2 - 受電装置、送電装置、及び無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、受電装置、送電装置、及び無線電力伝送システムに関する。

大気汚染や化石燃料の枯渇に対する懸念から、環境に配慮した車両として電気自動車やハイブリッド車などの電動車両が注目されている。この種の車両は、例えば二次電池に蓄えた電力で走行するタイプのものが公知である。また、ハイブリッド車においても、電気自動車と同様に、車両外部の電源から車載の蓄電装置を充電可能な車両が知られている。例えば、家屋に設けられた電源コンセントと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することで、家庭用電源から蓄電装置を充電可能な「プラグイン・ハイブリッド車」が知られている。

送電技術として、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス送電技術が近年注目されている。例えば、自動車に搭載されている二次電池を充電する技術として、走行路に設けられた給電部から非接触で給電を受けて充電する技術（例えば、特許文献１を参照）がある。そして、このワイヤレス送電技術としては、磁界共鳴により離間している機器へ高い伝送効率で電力を送る技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。また、関連技術として、特許文献３には、電磁誘導を誘起させる複数の第一の素子と、第一の素子により誘起された電磁誘導によって起電力を発生させる第２の素子を備えた、非接触型の充電装置が記載されている。また、特許文献４には、送電用コイルからの電力を受けるための受電用コイルの少なくとも片面に位置する磁性層と、電磁ノイズの遮断用のシールド層と、断熱層のうちの少なくとも磁性層を積層一体化して設けた非接触電力伝送機器が記載されている。

特開２００８−１２０３５７号公報 特開２００８−３０１９１８号公報 特開２００９−２０１３２８号公報 特開２００８−２９４３８５号公報

このようなコイル間の電磁誘導による無線電力伝送（ワイヤレス送電）方式では、送電側と受電側の接点の露出が不要となる利点があるものの、送電側及び受電側のコイル間隔（送電距離）が大きくなるに従って送電効率が極端に落ちてしまうのが実情である。

そこで近年では、このような電磁誘導方式に加えて、共振周波数を合わせたコイル間（送電側回路〜受電側回路間）における磁界共鳴（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ。磁気共鳴、磁場共鳴、磁界共振ともいう）を利用した磁界共鳴方式のワイヤレス送電技術が提案されている。磁界共鳴方式によるワイヤレス送電では、電磁誘導方式に比べて送電側共鳴コイル及び受電側共鳴コイルを離間させた場合の電力の伝送効率（以下、「送電効率」という。）の低下が小さく、送電側共鳴コイル及び受電側共鳴コイルを離間させる距離、すなわち送電距離を上記電磁誘導方式に比べて大きくできるという利点がある。

送電効率を向上する手法として、送電側共鳴コイル及び受電側共鳴コイルを形成するコイル用導電性線材（コイル導線）の直径（断面径）を拡大して電気抵抗を低減することが
挙げられる。しかしながら、単純にコイル用導電性線材の断面径を大きくするのでは、コイルケースの収容空間の制約によりコイルの周回数（巻数、ターン数）を充分に確保することが困難となったり、周回毎にコイルを形成するコイル用導電性線材同士が近接し易くなる。そして、コイル用導電性線材同士が近接すると、所謂「近接効果」の作用によって電気抵抗の増加を招いてしまい、却って送電効率の低減に繋がることも懸念される。「近接効果」とは、導体が近接配置される場合、電流の大きさ、向き、周波数等により各導体に流れる電流の密度分布が変化する現象である。そして、コイルを流れる電流密度の分布に偏りが生じると、電流密度の大きい部分で交流抵抗が増加して発熱等によるエネルギー損失が増加する。

本発明は、上記した問題に鑑みてなされてものであって、その目的は、無線電力伝送において送電効率を高めることのできる技術を提供することにある。

本発明は、互いの間に発生する磁界共鳴によって電力の伝送を行うコイルを複層渦巻き状に巻回すと共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士を千鳥状に配置するようにした。

より詳細には、本発明は、送電装置から電力を無線で受電する受電装置において、前記送電装置側に設けられて高周波電力が供給される送電側共鳴コイルからの電力を該送電側共鳴コイルとの間で発生する磁界共鳴により受電する受電側共鳴コイルを備え、前記受電側共鳴コイルは、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されることを特徴とする受電装置である。

また、本発明は、受電装置に電力を無線で送電する送電装置において、前記受電装置側に配置された受電側共鳴コイルとの間で発生する磁界共鳴によって電力を該受電側共鳴コイルに送電する送電側共鳴コイルを備え、前記送電側共鳴コイルは、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されることを特徴とする送電装置である。

また、本発明は、無線電力伝送システムとして捉えることもできる。即ち、本発明は、送電装置と受電装置とを備える無線電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、高周波電源から高周波電力が供給される送電側電磁誘導コイルと、該送電側電磁誘導コイルからの電力を電磁誘導により受電する送電側共鳴コイルと、を有し、前記受電装置は、前記送電側共鳴コイルからの電力を、該送電側共鳴コイルとの間で発生する磁界共鳴により受電する受電側共鳴コイルと、該受電側共鳴コイルからの電力を電磁誘導により受電すると共に負荷抵抗と電気的に接続される受電側電磁誘導コイルを有し、少なくとも前記受電側共鳴コイル及び前記受電側共鳴コイルの各々は、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されることを特徴とする無線電力伝送システムである。

本発明に係る無線電力伝送システムでは、例えば、送受電時に受電装置と送電装置とが対向配置され、かつ送電装置から受電装置へと無線（非接触）によって送電がなされる所謂ワイヤレス送電が行われる。以下に、本発明を無線送電システムの代表例の一つである４コイル構成に適用する場合を説明する。

受電装置においては、受電側電磁誘導コイルが受電側共鳴コイルと電磁誘導により磁気的に結合されている。送電装置においては、送電側電磁誘導コイルが送電側共鳴コイルと電磁誘導により磁気的に結合されている。そして、高周波電源から送電側電磁誘導コイルに高周波電力が供給されると、送電側共鳴コイルとの間に発生する電磁誘導によって送電
側共鳴コイルに電流が流れる。

そうすると、共鳴（共振）周波数が互いに合致するように調整された送電側共鳴コイル及び受電側共鳴コイルの間で磁界共鳴が発生することで、受信側共鳴コイルに電流が流れる。その結果、受信側共鳴コイルと受電側電磁誘導コイルの間で電磁誘導が発生して受電側電磁誘導コイルに電流が流れ、受電側電磁誘導コイルに接続されている負荷抵抗へと電力が供給される。

上記のような４コイル構成を採用する場合、高周波電源と直接接続されるコイル及び負荷抵抗に直接接続されるコイル（送電側電磁誘導コイル、受電側電磁誘導コイルが該当し、これらを総称する場合は「電磁誘導コイル」と記す）と、磁界共鳴による電力伝送に用いられるコイル（送電側共鳴コイル、受電側共鳴コイルが該当し、これらを総称する場合は「磁界共鳴コイル」と記す）とを物理的に接続せず電磁結合によって接続することで、電源や負荷抵抗等の構成が磁界共鳴コイルの共鳴周波数に与える影響等を抑える効果がある。

ところで、送電装置および受電装置からなる無線電力伝送システムにおいて、より多くの電力を送電することを考えた場合、磁界共鳴コイル、即ち送電側共鳴コイル及び受電側共鳴コイルに流す電流量を増大する必要がある。そのような場合、ジュール熱を抑制する観点から、磁界共鳴コイルの電気抵抗をできるだけ低くしたいという要請がある。尚、上記のような４コイル構成の無線送電システムの他、電磁誘導コイルを採用しない以下のような２コイル構成、すなわち、送電側共鳴コイルに直接電力を供給し、また、受電側共鳴コイルから直接電力を取り出す構成の無線送電システムにおいても、４コイル構成と同様の課題がある。

本発明に係る受電装置によれば、少なくとも受電側共鳴コイルが複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されるように構成される。また、送電装置によれば、少なくとも送電側共鳴コイルが複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されるように構成される。

ここでいう「複層」とは、受電側共鳴コイル（送電側共鳴コイル）が周回する周回面が少なくとも二層存在していることを意味しており、コイルを形成するコイル用導電性線材が少なくとも二つの積層面に跨って渦巻き状に巻回されるといえる。また、コイルの「積層方向」とは、渦巻き状に巻回されるコイルの渦巻き面（コイルによる渦巻きが形成する面）に直交する方向である。

本発明においては、複層にわたって巻回される受電側共鳴コイル（送電側共鳴コイル）のうち、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が、その渦巻き径方向の位置が交互にずれた状態、すなわち千鳥状に配置される。そのため、渦巻き状に巻回される受電側共鳴コイル（送電側共鳴コイル）の各ターン同士の距離を良好に確保することができる。その結果、限られた収容空間においても、コイルの周回数（巻数）を充分に確保しつつ、受電側共鳴コイル（送電側共鳴コイル）を構成するコイル用導電性線材同士が過度に近接することを抑制できる。よって、磁界共鳴コイルに上述した「近接効果」の作用によって電気抵抗の増加を招くことが無い。従って、本発明によれば、コイルを形成する導電性線材の断面径（外径）をより大きく設計し、また、コイルの巻数をより多く確保しても、近接効果の影響を受けにくくすることができるので、送電効率を向上することができる。

また、受電装置における受電側共鳴コイルは、同一積層面内においてコイルの渦巻き径
方向に互いに隣接する部分同士の間隔（以下、「渦巻き径方向ピッチ」ともいう）が、少なくともコイルを形成する導電性線材の断面径以上確保されるように配置されても良く、また、より好ましくは、受電側共鳴コイルの渦巻き径方向ピッチを上記導電性線材の断面径の２倍以上確保すると良い。これにより、受電側共鳴コイルへの近接効果の作用をより一層受け難くすることができ、送電効率を向上させることが可能となる。

同様に、送電装置における前記送電側共鳴コイルは、同一積層面内においてコイルの渦巻き径方向に互いに隣接する部分同士の間隔（すなわち、渦巻き径方向ピッチ）が、少なくともコイルを形成する導電性線材の断面径以上確保されるように配置されると良く、また、より好ましくは、送電側共鳴コイルの渦巻き径方向ピッチを、コイル導電性線材の断面径の２倍以上確保すると良い。これにより、送電側共鳴コイルへの近接効果の作用をより確実に回避し、送電効率を向上させることが可能となる。

また、受電装置における前記受電側共鳴コイルは、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士の隙間が、零以上該コイルを形成する導電性線材の断面径以下となるように配置されても良い。同様に、送電装置における前記送電側共鳴コイルは、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士の隙間が、零以上該コイルを形成する導電性線材の断面径以下となるように配置されても良い。

これらのように構成することで、受電側共鳴コイルを収容する受電側コイルケース、及び、送電側共鳴コイルを収容する送電側コイルケースの厚さが大きくなりすぎることを回避し、コイルケースのコンパクト化を実現することが可能である。なお、コイルケースの厚さ方向とは、それに収容される磁界共鳴コイルの積層方向を指す。なお、受電側共鳴コイルや送電側共鳴コイル等の磁界共鳴コイルにおいて、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士の隙間を上記範囲（比較的小さな値の範囲）で設定しても、上述のようにコイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されることで、特に、渦巻き径方向ピッチが少なくともコイル用導電性線材の断面径以上確保されることにより、近接効果による悪影響を抑えることができる。

また、受電装置においては、前記受電側共鳴コイルからの電力を電磁誘導により受電すると共に負荷抵抗と電気的に接続される受電側電磁誘導コイルを更に備え、前記受電側電磁誘導コイルは、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されても良い。送電装置においては、高周波電源から高周波電力が供給され、該高周波電力を電磁誘導により前記送電側共鳴コイルに送電する送電側電磁誘導コイルを更に備え、前記送電側電磁誘導コイルは、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されても良い。

また、上述してきた受電装置、送電装置、無線電力伝送システムにおいて、受電側電磁誘導コイル及び送電側電磁誘導コイルは、複数ターンのコイルであっても良いのは勿論であるが１ターンのコイルであっても良い。また、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、無線電力伝送において送電効率を高めることができる技術を提供できる。

第一実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す図である。 地面に埋め込まれた送電装置から送電する様子を示す図である。 第一実施形態に係る送電用コイルケース及び受電用コイルケースの構成を示す図である。 コイル径毎にコイル同士の隙間とコイル抵抗との関係をシミュレーションした結果を示す図である。 渦巻き径方向ピッチＰＴ１及び積層方向ピッチＰＴ２を説明するための説明図である。 第二実施形態に係る送電用コイルケース及び受電用コイルケースの構成を示す図である。 壁に埋め込まれた送電装置から送電する様子を示す図である。 天井に埋め込まれた送電装置から送電する様子を示す図である。

以下、本発明に係る無線電力伝送システムの実施の形態について、図面に基づいて例示的に詳しく説明する。なお、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、本実施形態に係る無線電力伝送システムは、車載バッテリに充電される電力を車両側にワイヤレス（無線）で送電するためのワイヤレス送電システムであり、送電装置は車両が停止する位置の地面側に、受電装置は車両側に設けられる。但し、本発明に係る無線電力伝送システムは車両用途に限定されず、家電、情報機器、玩具等、電力を用いる様々な機器に適用することが可能である。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態に係る無線電力伝送システム１の構成を示す図である。無線電力伝送システム１は、大きく分けて送電装置１０および受電装置２０を備える。受電装置２０は、例えば電動車両（以下、単に「車両」ともいう）３０の車体下部に設けられ、送電装置１０は、車両３０が停止する位置（例えば、駐車スペース）の地面側に設けられている。

送電装置１０は、アンテナ１１、データ送受信ユニット１２、コンバータ１３、送電アンプ１４、送電コイル１５、共振制御ユニット１６、送電コントローラ１７、および発振回路１８を備える。また、受電装置２０は、受電コントローラ２７、受電コイル２５、共振制御ユニット２６、整流回路２８、ＤＣ／ＤＣコンバータ２９、アンテナ２１およびデータ送受信ユニット２２を備える。

まず、送電装置１０について説明する。送電コイル１５は、例えば、駐車スペースの車止めを基準とした所定位置等、車両が停止した場合の位置合わせが容易な位置に、車両底面に設けられた受電コイル２５に対向するように設けられている。

送電コントローラ１７は、発振回路１８、共振制御ユニット１６、コンバータ１３を制御するコンピュータである。データ送受信ユニット１２は、アンテナ１１に接続された、無線通信のための通信インターフェースである。また、コンバータ１３は、外部電源から供給された交流の電力を直流電流へ変換して送電アンプ１４へ送る装置である。なお、コンバータ１３による出力電圧は、送電コントローラ１７によって制御される。また、送電アンプ１４は、コンバータ１３から送られた電力を、発振回路１８から与えられた周波数で、送電コイル１５へ入力する装置である。ここで、発振回路１８によって与えられる周波数は、送電コントローラ１７によって制御される。

共振制御ユニット１６は、送電コントローラ１７による指示に従って、送電コイル１５に設けられた可変容量コンデンサＣ１の容量を制御する等の方法で、送電装置１０の共振周波数を、発振回路１８の発振周波数と一致するように制御する装置である。また、発振
回路１８は、送電コントローラ１７による指示に従って、送電コイル１５へ発振される周波数を目標値となるように制御する。

一方、受電装置２０における共振制御ユニット２６は、前述の共振制御ユニット１６と同様に、受電コントローラ２７による指示に従って受電装置２０の共振周波数を発振回路１８の発振周波数と一致するように制御する装置である。その結果、送電装置１０の共振周波数と受電装置２０の共振周波数とは一致するように制御され、磁界共鳴による無線電力伝送が可能となる。ここで、受電コイル２５は、車両底面の、地面に設置された送電装置１０と対向する位置に設けられることが好ましい。

また、受電装置２０は、車載の充放電制御装置３１を介して、バッテリ３３と接続されている。なお、充放電制御装置３１は、マイクロコンピュータ（マイコン）を有しており、アクセル操作に応じてバッテリ３３から車両駆動用の電力を放電させ、また、ブレーキが操作された場合には、車輪を駆動し車両を前進あるいは後退させるためのモータ３２によって発電された電力がバッテリ３３に充電されるように制御する。また、バッテリ３３は再充電可能な直流電源であり、例えばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池等で実現でき、また、大容量のキャパシタ等も適宜採用することができる。

受電コントローラ２７は、共振制御ユニット２６、整流回路２８およびＤＣ／ＤＣコンバータ２９を制御するコンピュータである。データ送受信ユニット２２は、アンテナ２１に接続された、無線通信のための通信インターフェースである。また、受電コイル２５には、送電コイル１５との間の磁界共鳴によって電流が流れる。受電コントローラ２７は、受電コイル２５と送電コイル１５との間で磁界共鳴を発生させるために、受電コイル２５の共振周波数が送電装置１０側と一致するように共振制御ユニット２６を制御する。

図示のように、送電コイル１５は、一次コイル１５ａ（送電側電磁誘導コイル）と送電側共鳴コイル１５ｂから構成されている。送電側共鳴コイル１５ｂの両端には可変容量コンデンサＣ１が接続されている。また、一次コイル１５ａは送電側共鳴コイル１５ｂの内側に配置されている。また、受電コイル２５は、二次コイル２５ａ（受電側電磁誘導コイル）と受電側共鳴コイル２５ｂから構成されている。受電側共鳴コイル２５ｂの両端には可変容量コンデンサＣ２が接続されている。また、二次コイル２５ａは受電側共鳴コイル２５ｂの内側に配置されている。

一次コイル１５ａは、送電アンプ１４から直接電力が与えられるコイルである。送電アンプ１４によって一次コイル１５ａに電流が流されると、一次コイル１５ａに流れる磁気変動により送電側共鳴コイル１５ｂに電磁誘導が発生し、送電側共鳴コイル１５ｂに高周波電流が流れるようになる。その際、共振制御ユニット１６は、送電コントローラ１７による指示に従って可変容量コンデンサＣ１の容量を制御し、送電側共鳴コイル１５ｂの共振周波数を外部電源からの供給電力に対して発振回路１８が付与する発振周波数と一致するように制御する。更に、共振制御ユニット２６は、受電コントローラ２７による指示に従って可変容量コンデンサＣ２の容量を制御し、受電側共鳴コイル２５ｂの共振周波数が送電側共鳴コイル１５ｂの共振周波数と一致するように制御する。その結果、送電側共鳴コイル１５ｂと受電側共鳴コイル２５ｂとの間で磁界共鳴が発生して両者間のインピーダンスが小さくなり、受電側共鳴コイル２５ｂに大電流が効率良く流れるようになる。

上記のように磁界共鳴によって受電側共鳴コイル２５ｂに電流が流れると、受電側共鳴コイル２５ｂに流れる電流によって生じる磁気変動によって二次コイル２５ａに電磁誘導が発生し、この二次コイル２５ａに電流が流れることとなる。二次コイル２５ａは、受電側共鳴コイル２５ｂにより受電された電力を電磁誘導により取り出して整流回路２８へ出力する。ここで、受電コイル２５とバッテリ３３との間には、整流回路２８およびＤＣ／
ＤＣコンバータ２９が介在している。整流回路２８は、二次コイル２５ａによって取出された交流電力を整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２９は、受電コントローラ２７からの制御信号に基づいて、整流回路２８によって整流された電力をバッテリ３３の電圧レベルに変換してバッテリ３３へ出力する。また、受電コントローラ２７は、例えば車載バッテリ３３側によって取り出される電力を一定に保つように整流回路２８およびＤＣ／ＤＣコンバータ２９を制御することができる。

上記のように構成される本実施形態に係る無線電力伝送システム１において、送電コイル１５は、例えば、駐車スペースの車止めを基準とした所定位置等、車両３０が停止した場合の位置合わせが容易な位置に、車両底面に設けられた受電コイル２５に対向するように設けられている。送電コイル１５と受電コイル２５とがこのような所定の対向位置関係になると、例えば車室内に設けられた通信開始ボタン（図示省略）がユーザによって押されることをトリガーとして、送電コントローラ１７と受電コントローラ２７が各送受信ユニット１２，２２を介して互いに通信を開始する。そして、上記した如く送電装置１０及び受電装置２０との間に発生する磁界共鳴を利用して無線で送電装置１０から受電装置２０へと電力を伝送し、受電装置２０が受電した電力をバッテリ３３等に供給することができる。

また、本実施形態では、送電アンプ１４から電力が直接流されるコイルおよび受電側の負荷抵抗に直接接続されたコイル（ここでは、一次コイル１５ａ及び二次コイル２５ａ）と、磁界共鳴による電力伝送に用いられるコイル（ここでは、送電側共鳴コイル１５ｂ及び受電側共鳴コイル２５ｂ）と、を物理的に接続せず、電磁結合によって接続している。そうすることで、送電アンプ１４や負荷抵抗等の構成によって磁界共鳴に用いるコイル（送電回路・受電回路）の共振周波数等に及ぼす影響が抑制されている。

次に、送電コイル１５及び受電コイル２５の詳細構成について説明する。図２、図３に示されるように、送信装置１０側においては送電コイル１５、即ち一次コイル１５ａ及び送電側共鳴コイル１５ｂが送電用コイルケース１５０に収容されている。一方、受信装置２０側においては受電コイル２５、即ち二次コイル２５ａ及び受電側共鳴コイル２５ｂが受電用コイルケース２５０に収容されている。

送信装置１０から受信装置２０への磁界共鳴を用いたワイヤレス送電が行われる際、送電用コイルケース１５０及び受電用コイルケース２５０は、図２及び３に示されるように対向配置された状態となる。図示の例では、送電用コイルケース１５０及び受電用コイルケース２５０は直方体に形成されているが、これに限定されるものではなく他の形状を適宜採用しても構わない。また、各コイルケース１５０，２５０の材質としては例えば樹脂を採用することができる。

送電用コイルケース１５０は、天板１５１、底板１５２、周壁１５３から構成されている。同様に、受信用コイルケース２５０は、天板２５１、底板２５２、周壁２５３から構成されている。ここで、天板１５１，２５１は、ワイヤレス送電時において互いに対向（対峙）する面であり、この面を「正面」として定義する。底板１５２，２５２は、それぞれ天板１５１、２５１と相対する面であり、この面を「背面」として定義する。

送電用コイルケース１５０において、底板１５２の内側には、この底板１５２に沿うようにしてシールド部材（以下、「第一シールド部材」という）１５５が設置されている。第一シールド部材１５５は、非磁性かつ導電性を有している。第一シールド部材１５５は、例えばアルミニウム金属によって構成されているが、これに限られない。第一シールド部材１５５の内側、即ち第一シールド部材１５５の底板１５２側には、磁性体コア部材１５４が配置されている。

次に、受電用コイルケース２５０においても、導電用コイルケース１５０と同様なシールド部材（以下、「第二シールド部材」という）２５５、磁性体コア部材２５４が設けられている。即ち、受電用コイルケース２５０の底板２５２の内側にはこれに沿うように第二シールド部材２５５が設置されており、さらに第二シールド部材２５５の底板２５２側には、磁性体コア部材２５４が配置されている。第二シールド部材２５３は第一シールド部材１５５と同等の部材である。即ち、第二シールド部材２５５は、非磁性かつ導電性を有しており、例えばアルミニウム金属によって構成されている。

各磁性体コア部材１５４，２５４は、例えばフェライトに代表されるような透磁率が大の強磁性体よりなり、磁束の高密度化機能やガイド機能を発揮する部材である。また、各シールド部材１５５，２５５は、導電体であってかつ非磁性体からなる部材であり、例えばアルミニウム等の金属材料によって構成されている。各シールド部材１５５，２５５は、後記するように送信装置１０から受信装置２０へ電力をワイヤレス送電する際に、外部に漏洩しようとする電磁波、即ちワイヤレス送電に寄与しなかった電磁波を、渦電流を発生させることで熱エネルギーに変換する。このようにして、送電に寄与しなかった電磁波の外部への漏洩を抑制する。

送電用コイルケース１５０には、一次コイル１５ａ及び送電側共鳴コイル１５ｂが渦巻き状に巻回された状態で収容されている。一次コイル１５ａ及び送電側共鳴コイル１５ｂは同軸上に配置されており、一次コイル１５ａが内側に、送電側共鳴コイル１５ｂが外側に配置されている。

より具体的には、送電側共鳴コイル１５ｂは、仮想中心軸（以下、「コイル中心軸」という）ＡＸＬを中心に、その周りを周回するように該複層渦巻き状に巻回されており、その積層数が２層、周回数（巻数）が５ターン（５巻）に設定されている。一方、一次コイル１５ａは、コイル中心軸ＡＸＬと同軸、かつ、送電側共鳴コイル１５ｂの内側に巻回されており、その周回数が１ターン（１巻）に設定されている。一次コイル１５ａは、送電用コイルケース１５０における底板１５２に設けられたコネクタ１５６に接続されている。コネクタ１５６は、配線ケーブルを介して送電アンプ１４と接続されている。言い換えると、一次コイル１５ａと送電アンプ１４がコネクタ１５６を介して接続されている。なお、コネクタ１５６を用いず、直接引き出したコイル用導線を送電アンプ１４と接続しても良い。

次に、受電用コイルケース２５０には、二次コイル２５ａ及び受電側共鳴コイル２５ｂが渦巻き状に巻回された状態で収容されている。二次コイル２５ａ及び受電側共鳴コイル２５ｂはコイル中心軸ＡＸＬを中心として同軸上に配置されており、二次コイル２５ａが内側に、受電側共鳴コイル２５ｂが外側に配置されている。

より具体的には、受電側共鳴コイル２５ｂは、コイル中心軸ＡＸＬを中心に複層渦巻き状に巻回されており、その積層数が２層、周回数が５ターンに設定されている。二次コイル２５ａは、コイル中心軸ＡＸＬと同軸、かつ、受電側共鳴コイル２５ｂの内側に巻回されており、その周回数は１ターンに設定されている。二次コイル２５ａは、受電用コイルケース２５０の底板２５２に設けられたコネクタ２５６に接続されている。コネクタ２５６は、配線ケーブルを介して整流回路２８と接続されている。言い換えると、コネクタ２５６を介して二次コイル２５ａと整流回路２８が接続されている。なお、コネクタ２５６を用いず、直接引き出したコイル用導線を整流回路２８と接続しても良い。

送電用コイルケース１５０内の第一シールド部材１５５、磁性体コア部材１５４、及び受電用コイルケース２５０内の第二シールド部材２５５、磁性体コア部材２５４はそれぞ
れ円板状に形成されている。例えば磁性体コア部材１５４，２５４は外径が４００ｍｍ、厚さが５ｍｍに設定されており、シールド部材１５５，２５５は外径が６００ｍｍ、厚さが２ｍｍに設定されている。但し、これらの形状、寸法は適宜変更することができる。

本実施形態に係る無線電力伝送システム１では、送電装置１５から受電装置へのワイヤレス送電時において、送電用コイルケース１５０側における送電コイル１５（一次コイル１５ａ、送電側共鳴コイル１５ｂ）のコイル中心軸ＡＸＬと、受電用コイルケース２５０側における受電コイル２５（二次コイル２５ａ、受電側共鳴コイル２５ｂ）のコイル中心軸ＡＸＬが一致するように調整しても良い。例えば、受電用コイルケース２５０は、車体に対するその相対位置を変更可能な駆動機構（図示省略）を介して車体に据え付けられており、当該駆動機構のアクチュエータを作動させることで受電用コイルケース２５０の位置を調整可能に構成されていても良い。そして、受電用コイルケース２５０は、上記駆動機構に前後方向、左右方向、上下方向へ移動可能なように構成され、地面側に設置された送電用コイルケース１５０に対して相対的に移動可能なように構成されていると良い。

送電コイル１５（一次コイル１５ａ、送電側共鳴コイル１５ｂ）及び受電コイル２５（二次コイル２５ａ、受電側共鳴コイル２５ｂ）は全て導電性線材（以下、「コイル導線」ともいう）によって形成されている。各コイルを形成するコイル導線の外表面は絶縁加工（絶縁皮膜）されており、コイル導線の外表面同士が接触したとしても導電経路の乱れ、ショート等の不具合が防止されるような構造となっている。また、送電コイル１５及び受電コイル２５の各コイルケース内への支持固定は、例えば樹脂等の絶縁性材料を用いて形成される支持固定部材（図示省略）等によって行われる。
ワイヤレス送電時における送電量を増やすには、送電側共鳴コイル１５ｂ及び受電側共鳴コイル２５ｂに流す電流量を増大する必要がある。本実施形態では、磁界共鳴コイルで発生するジュール熱を低減する観点から、これらのコイル導線の直径（断面径）を電磁誘導コイルである一次コイル１５ａ及び二次コイル２５ａに比べて大きくすることで、電気抵抗を小さくするように設計されている。

ここで、単純にコイル導線の断面径を大きくするのではコイルの各ターンにおけるコイル導線同士が近接し易くなり、前述した近接効果の作用によって電気抵抗の増加を招いてしまい、却って送電効率の低減に繋がる虞がある。そこで、無線電力伝送システム１の送電装置１０に関しては、送電側共鳴コイル１５ｂを、複層渦巻き状に巻回すと共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士を千鳥状に配置するようにした。

送電側共鳴コイル１５ｂは、送電用コイルケース１５０の底板１５２に近い方から第一積層面、第二積層面の二つの積層面（周回面）に跨って巻回されている。ここで、送電側共鳴コイル１５ｂの積層方向とはコイル中心軸ＡＸＬ（本実施形態では、鉛直方向）に一致する方向であり、送電側共鳴コイル１５ｂの渦巻き径方向（本実施形態では、水平方向）、すなわちコイルが形成する渦巻き面に直交する方向でもある。そして、送電側共鳴コイル１５ｂのうち、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内、すなわち第一積層面及び第二積層面を周回する部分同士を千鳥状に配置するとは、第一積層面を周回する部分（以下、「第一積層面周回部ＴＰ１」という）と第二積層面を周回する部分（以下、「第二積層面周回部ＴＰ２」という）を、渦巻き径方向にその位置が交互にずらして配置することを意味する。別の言い方をすれば、コイル導線のうち、互いに隣接する積層面内を周回する部分同士を千鳥状に配置するとは、コイル中心軸ＡＸＬに平行な面でコイルを切断したとすればコイル導線の各断面が千鳥状配置になると表現することができる。

送電側共鳴コイル１５ｂを千鳥状に配置することで、コイル中心軸ＡＸＬから渦巻き径方向への距離が等しい位置において、第一積層面周回部ＴＰ１及び第二積層面周回部ＴＰ
２が上下に重なることが無い。そのため、送電側共鳴コイル１５ｂの各ターンにおけるコイル導線同士の距離を良好に確保することができ、前述した近接効果の作用に起因する電気抵抗の増加を抑制することができる。

なお、送電側共鳴コイル１５ｂを千鳥状に配置する際のコイル導線の巻線順序については、第一積層面周回部ＴＰ１を全て巻いてから第二積層面周回部ＴＰ２を巻くようにしても良いし、第一積層面、第二積層面、第一積層面、・・・の如く第一積層面周回部ＴＰ１と第二積層面周回部ＴＰ２とを交互に巻くようにしても良い。

更に、受信装置２０に関しても、受電側共鳴コイル２５ｂは、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイル導線のうち、積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されている。

図示の例では、受電側共鳴コイル２５ｂは、受電用コイルケース２５０の底板２５２に近い方から第一積層面、第二積層面の二つの積層面（周回面）に跨って巻回されている。受電側共鳴コイル２５ｂの積層方向はコイル中心軸ＡＸＬ（本実施形態では、鉛直方向）に一致すると共に、受電側共鳴コイル２５ｂの渦巻き径方向（本実施形態では、水平方向）、すなわちコイルが形成する渦巻き面に対して直交している。

受電側共鳴コイル２５ｂのうち、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内、すなわち第一積層面及び第二積層面を周回する部分同士を千鳥状に配置することで、コイル中心軸ＡＸＬ’から渦巻き径方向への距離が等しい位置において、第一積層面周回部ＴＰ１及び第二積層面周回部ＴＰ２が上下に重なることが無くなる。そのため、受電側共鳴コイル２５ｂにおいても同様に、各ターンにおけるコイル導線同士の距離を良好に確保することができ、近接効果の作用に起因する電気抵抗の増加を抑制することができる。なお、受電側共鳴コイル２５ｂを千鳥状に配置する際のコイル導線の巻線順序については、第一積層面周回部ＴＰ１を全て巻いてから第二積層面周回部ＴＰ２を巻くようにしても良いし、第一積層面、第二積層面、第一積層面、・・・の如く第一積層面周回部ＴＰ１と第二積層面周回部ＴＰ２とを交互に巻くようにしても良い。

以上のように、本実施形態に係る無線電力伝送システム１では、送電側共鳴コイル１５ｂ及び受電側共鳴コイル２５ｂをそれぞれ上記の如く千鳥状に配置することで、限られた収容空間においても「近接効果」の悪影響を抑えつつコイルの巻数を充分に確保でき、また、コイル導線の断面径を拡大することができるので、送電効率を高めることができる。

図４は、コイル径毎に、コイルの線間隙間とコイル抵抗との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図示のように、何れのコイル径においても、コイル同士の隙間を増大させた方が、コイル抵抗を低減できることが判る。また、図４に示した例では、コイル導線直径をφ０．２ｍｍ、φ０．３ｍｍ、φ０．４ｍｍとしているが、コイルの線間隙間が等しい条件下では、コイル導線直径が小さいほどコイル抵抗が小さく、近接効果の影響を受け難いことが判る。また、コイルの線間隙間を概ねコイル導線直径と同等、より好ましくは２倍の寸法を確保することにより、コイル抵抗を良好に低減できることが判る。

本実施形態における無線電力伝送システム１では、上記シミュレーション結果を考慮し、送電側共鳴コイル１５ｂ及び受電側共鳴コイル２５ｂの各々における渦巻き径方向ピッチＰＴ１を設定している。この渦巻き径方向ピッチＰＴ１とは、送電側共鳴コイル１５ｂ（受電側共鳴コイル２５ｂ）において、同一積層面内でコイルの渦巻き径方向に互いに隣接する部分同士の間隔（断面外周部間距離）として定義される。

より具体的には、送電側共鳴コイル１５ｂ（受電側共鳴コイル２５ｂ）における渦巻き
径方向ピッチＰＴ１は、少なくとも送電側共鳴コイル１５ｂ（受電側共鳴コイル２５ｂ）のコイル導線断面径ＣＲ以上の値として設定される。図５（ａ）は、渦巻き径方向ピッチＰＴ１をコイル導線断面径ＣＲと等しくした構成例を示したものである。このように渦巻き径方向ピッチＰＴ１を規定することにより、近接効果の作用によるコイル抵抗の増加を回避することができる。なお、近接効果に起因するコイル抵抗の増加をより確実に回避する観点からは、図５（ｂ）に示すように、送電側共鳴コイル１５ｂ（受電側共鳴コイル２５ｂ）の渦巻き径方向ピッチＰＴ１を、コイル導線断面径ＣＲの２倍以上確保することが、より好ましい。

また、送電側共鳴コイル１５ｂ及び受電側共鳴コイル２５ｂの各々は、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内、すなわち第一積層面及び第二積層面を周回する部分同士の隙間である積層方向ピッチＰＴ２（図５参照）が、零以上コイル導線断面径ＣＲ以下の値となるように設定されている。これにより、送電用コイルケース１５０及び受電用コイルケース２５０の厚さを低減できる。なお、本実施形態では、送電側共鳴コイル１５ｂ及び受電側共鳴コイル２５ｂの各々を図３及び図５に示す如く千鳥状に配置し、特に、双方のコイルの渦巻き径方向ピッチＰＴ１をコイル導線断面径ＣＲ以上の値に設定しているため、上記のように積層方向ピッチＰＴ２を比較的小さくしても、近接効果による悪影響を抑えることができ、送電効率の向上と、コイルケースのコンパクト化の両立が可能となる。

なお、図３に示した構成例では、送電装置１０側の一次コイル１５ａと受電装置２０側の二次コイル２５ａをそれぞれ１ターンのコイルとしているが、その巻数を複数ターンに設定しても良い。その場合、磁界共鳴コイルと同様に複層渦巻き状に巻回し、かつ、千鳥状に配置することも可能であり、その場合には近接効果の影響を抑えることによりコイル抵抗を低減できる。また、図３では、磁界共鳴コイルを２層の積層面に跨って巻回する例を説明したが、３層以上の積層面に跨って千鳥状に巻回しても良い。

＜第二実施形態＞
図６は、第二実施形態に係る送電用コイルケース及び受電用コイルケースの構成を示す図である。既に説明した構成については、同一符号を付すことでその詳細な説明を省略する。

図示のように、４コイルは全て２層渦巻き状に巻回されている。送電側共鳴コイル１５ｂ及び受電側共鳴コイル２５ｂはそれぞれ、周回数（巻数）が６ターン（各積層面で３ターンずつ）に設定されている。また、一次コイル１５ａ及び二次コイル２５ａは、周回数（巻数）が４ターン（各積層面で２ターンずつ）に設定されている。そして、各コイルにおける第一積層面周回部ＴＰ１と第二積層面周回部ＴＰ２が千鳥状に配置されている。このように、全てのコイルを複層渦巻き状、かつ、千鳥状に配置することができる。

本システム１では各コイルに高周波電流を流すため、「表皮効果」によってコイル表面の電流密度が高くなり、コイル中心側の電流密度が低くなる。そこで、本実施形態における無線電力伝送システム１では、一次コイル１５ａ、送電側共鳴コイル１５ｂ、及び受電側共鳴コイル２５ｂを、中空構造の導電性パイプによって構成している。このようにコイルをその延伸方向に沿って形成される中空孔を有する中空構造にすることにより、重量を増加させることなく電流密度の大きな領域を増やすことが可能となり、ジュール熱の発生によるエネルギー損失を低減することができる。なお、二次コイル２５ａについては、他のコイルに比べてコイルを流れる電流量が最も少ない。そこで、本実施形態では、二次コイル２５ａに関してはソリッド構造を採用することで、コイルの製造コストを削減するようにした。但し、二次コイル２５ａについても、他のコイルと同様に中空構造を採用しても良いのは勿論である。

なお、図６に示すように、各種コイルを中空構造としつつ拡径する構成例は、各ターンにおけるコイル導線同士が互いに近接し易い状況と言える。このような状況下においても、本発明の適用により各コイルにおける第一積層面周回部ＴＰ１と第二積層面周回部ＴＰ２を千鳥状に配置することで、コイル抵抗が増加することを良好に抑制できる。

以上述べた実施の形態は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得る。例えば、上述までの構成例では地面に送電コイルが埋められて車両側に送電する場合を例に説明したが、本発明は、図７に示すように壁に埋め込まれた送電装置で横方向へ送電したり、図８に示すように天井に埋め込まれた送電装置で下方向へ送電したりすることも可能である。また、本発明に係る受電装置、送電装置、無線電力伝送システムは、上記実施形態に限定されるものではなく可能な限りこれらの組合せを含むことができる。

１・・・無線電力伝送システム
１０・・送電装置
１５・・送電コイル
１５ａ・一次コイル
１５ｂ・送電側共鳴コイル
２０・・受電装置
２５ａ・二次コイル
２５ｂ・受電側共鳴コイル
３０・・電動車両
１５０・送電用コイルケース
２５０・受電用コイルケース

Claims (9)

1. 送電装置から電力を無線で受電する受電装置において、
   前記送電装置側に設けられて高周波電力が供給される送電側共鳴コイルからの電力を該送電側共鳴コイルとの間で発生する磁界共鳴により受電する受電側共鳴コイルを備え、
   前記受電側共鳴コイルは、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置され、且つ、中空構造の線材によって形成されていることを特徴とする受電装置。
2. 前記受電側共鳴コイルは、同一積層面内においてコイルの渦巻き径方向に互いに隣接する部分同士の間隔が、少なくともコイルを形成する導電性線材の断面径以上確保されるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
3. 前記受電側共鳴コイルは、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士の隙間が、零以上該コイルを形成する導電性線材の断面径以下となるように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の受電装置。
4. 前記受電側共鳴コイルからの電力を電磁誘導により受電すると共に負荷抵抗と電気的に接続される受電側電磁誘導コイルを更に備え、
   前記受電側電磁誘導コイルは、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の受電装置。
5. 受電装置に電力を無線で送電する送電装置において、
   前記受電装置側に配置された受電側共鳴コイルとの間で発生する磁界共鳴によって電力を該受電側共鳴コイルに送電する送電側共鳴コイルを備え、
   前記送電側共鳴コイルは、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置され、且つ、中空構造の線材によって形成されていることを特徴とする送電装置。
6. 前記送電側共鳴コイルは、同一積層面内においてコイルの渦巻き径方向に互いに隣接す
   る部分同士の間隔が、少なくともコイルを形成する導電性線材の断面径以上確保されるように配置されることを特徴とする請求項５に記載の送電装置。
7. 前記送電側共鳴コイルは、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士の隙間が、零以上該コイルを形成する導電性線材の断面径以下となるように配置されることを特徴とする請求項５又は６に記載の送電装置。
8. 高周波電源から高周波電力が供給され、該高周波電力を電磁誘導により前記送電側共鳴コイルに送電する送電側電磁誘導コイルを更に備え、
   前記送電側電磁誘導コイルは、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置されることを特徴とする請求項５から７の何れか一項に記載の送電装置。
9. 送電装置と受電装置とを備える無線電力伝送システムにおいて、
   前記送電装置は、高周波電源から高周波電力が供給される送電側電磁誘導コイルと、該送電側電磁誘導コイルからの電力を電磁誘導により受電する送電側共鳴コイルと、を有し、
   前記受電装置は、前記送電側共鳴コイルからの電力を、該送電側共鳴コイルとの間で発生する磁界共鳴により受電する受電側共鳴コイルと、該受電側共鳴コイルからの電力を電磁誘導により受電すると共に負荷抵抗と電気的に接続される受電側電磁誘導コイルを有し、
   前記送電側共鳴コイル及び前記受電側共鳴コイルの各々は、複層渦巻き状に巻回されると共に、コイルの積層方向に互いに隣接する積層面内を周回する部分同士が千鳥状に配置され、且つ、中空構造の線材によって形成されていることを特徴とする無線電力伝送システム。

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