JP5649370B2

JP5649370B2 - 非接触電力伝送システム

Info

Publication number: JP5649370B2
Application number: JP2010188699A
Authority: JP
Inventors: 利昭岡; 小野　裕司; 裕司小野; 佑貴太田; 哲也田倉; 文博佐藤; 英敏松木; 忠邦佐藤; 崇野中
Original assignee: Tohoku University NUC; NEC Tokin Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Tokin Corp
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: JP2012050209A

Description

本発明は、非接触で電力伝送を行う非接触電力伝送システムに関する。

非接触で送電装置から受電装置へと電力を伝送する方法は、大別して、３つ知られている。一つは、磁束を媒介にして電磁誘導を利用して送電側のコイルから受電側のコイルへと電力を伝送する方法であり（例えば、特許文献１参照）、他の一つは、電力を無線エネルギーに変換して電磁波の形態で送信アンテナから受信アンテナへと伝達（送信）する方法であり、残りの一つは、送電装置と受電装置とを共振（共鳴）させることで磁気共振（磁気共鳴）を利用して送電装置から受電装置へ電力を伝送する方法（例えば、特許文献２参照）である。

通信と電力伝送とを同一アンテナを用いて行う技術としては例えば特許文献３に開示されたものがある。

特開２００８−１４１９４０号公報特開２０１０−１４８１７４号公報特開２０００−１３８６２１号公報

例えば、一つの充電台の上に複数の携帯機器を配置して、それら複数の携帯機器を同時に充電したいといった要望がある。即ち、複数台の受電装置に対して一つの送電装置から同時に電力伝送を行うことに対するニーズがある。

しかしながら、現状の技術では、かかるニーズに応えることができない。また、特許文献３のように通信と電力伝送とを同一デバイスで行う技術を開示する文献においては、通信距離の延長等の通信特性の向上を図ることばかりに主眼が置かれており、上述したニーズに応えるために参考となるような電力伝送技術についての開示がない。

そこで、本発明は、電力伝送に特化した高効率化技術を開示すると共に上述したニーズに応えることのできる非接触電力伝送システムを提供することを目的とする。

本発明は、第１の非接触電力伝送システムとして、
電磁誘導を利用して送電コイルを有する送電装置から受電コイルを有する受電装置に非接触にて電力伝送する非接触電力伝送システムであって、
前記送電コイルで発生した磁束を集めて前記受電コイルに効率よく受け渡すための集磁束コイルを更に備えている
非接触電力伝送システムを提供する。

また、本発明は、第２の非接触電力伝送システムとして、第１の非接触電力伝送システムであって、
前記集磁束コイルは、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に配置される
非接触電力伝送システムを提供する。

また、本発明は、第３の非接触電力伝送システムとして、第１の非接触電力伝送システムであって、
前記集磁束コイルは、前記送電コイルと前記受電コイルの外側に配置される
非接触電力伝送システムを提供する。

また、本発明は、第４の非接触電力伝送システムとして、第１乃至第３のいずれかの非接触電力伝送システムであって、
前記送電コイルと前記集磁束コイルの結合係数は０．０１以上であり、
前記受電コイルと前記集磁束コイルの結合係数は０．３以上である
非接触電力伝送システムを提供する。

また、本発明は、第５の非接触電力伝送システムとして、第４の非接触電力伝送システムであって、
重心から外形までの距離の平均値である平均外形寸法に関して、前記受電コイルと前記集磁束コイルの平均外形寸法は前記送電コイルの平均外形寸法の１／５以下であり、
前記受電コイルと前記集磁束コイルとの間隔は前記集磁束コイルの平均外形寸法の１／１０以下である
非接触電力伝送システムを提供する。

また、本発明は、第６の非接触電力伝送システムとして、第１乃至第５のいずれかの非接触電力伝送システムであって、
前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の面であって前記送電コイルと前記受電コイルの対向面の反対側の面である非対向面に配置された磁性体を更に備える
非接触電力伝送システムを提供する。

また、本発明は、第７の非接触電力伝送システムとして、第１乃至第６のいずれかの非接触電力伝送システムであって、
前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の前記非対向面上の最も外側に配置されたシールド材を更に備える
非接触電力伝送システムを提供する。

また、本発明は、第８の非接触電力伝送システムとして、第１乃至第７のいずれかの非接触電力伝送システムであって、
前記送電装置は、前記送電コイルに対して、所定周波数の電流を流すことにより、前記磁束を発生させるものであり、
前記集磁束コイルは、前記所定周波数を共振周波数とするように調整されている
非接触電力伝送システムを提供する。

また、本発明は、第９の非接触電力伝送システムとして、第１乃至第８のいずれかの非接触電力伝送システムであって、
前記送電装置は、前記送電コイルを複数個備えている
非接触電力伝送システムを提供する。

更に、本発明は、電磁誘導を利用して送電コイルを有する送電装置から受電コイルを夫々有する複数の受電装置に非接触にて電力伝送する非接触電力伝送方法であって、
前記受電装置の夫々に対して、前記送電コイルで発生した磁束を集めて前記受電コイルに効率よく受け渡すための集磁束コイルを更に設けることにより、前記複数の受電装置に対して前記送電装置から同時に電力を伝送する
非接触電力伝送方法を提供する。

本発明によれば、送電コイルで発生した磁束を集磁束コイルにて集めて効率よく受電コイルに受け渡すこととしたため、送電コイルが受電コイルに比べて大きい場合でも適切な電力伝送を行うことができる。従って、例えば、大きな一つの送電コイルを充電台に設ける一方で、その充電台上に受電コイルを有する複数の携帯機器を置くことにより複数の携帯機器を同時に充電することが可能となる。

本発明の実施の形態による非接触電力伝送システムを概略的に示す図である。図１の非接触電力伝送システムの変形例を概略的に示す図である。図１の非接触電力伝送システムにおける平面方向の位置ズレに対する伝送効率特性を示す図である。図１の非接触電力伝送システムにおける垂直方向のギャップに対する伝送効率特性を示す図である。

図１を参照すると、本発明の実施の形態による非接触電力伝送システム１０は、送電コイル１５０を有する送電装置１００と、受電コイル２５０及び集磁束コイル３００を有する受電装置２００とを備えており、送電コイル１５０に電流を流して発生した磁束を媒介として受電コイル２５０に電力を伝送するものである。即ち、本実施の形態による非接触電力伝送システム１０は、電磁誘導を利用して送電装置１００から受電装置２００へ非接触にて電力伝送するものである。ここで、受電装置２００は、例えば、携帯電話等の携帯機器であり、送電装置１００は、例えば、それら携帯機器の充電台である。

集磁束コイル３００は、所定周波数で共振することにより、送電コイル１５０で発生した磁束を集めて受電コイル２５０に効率よく受け渡すためのものである。本実施の形態による集磁束コイル３００は、受電装置２００内に設けられている。しかし、本発明はこれに限定されるわけではなく、受電装置２００と集磁束コイル３００とを分けることとしてもよい。

送電コイル１５０、受電コイル２５０及び集磁束コイル３００は、夫々、単線やリッツ線などによる巻き線により作成されていてもよいし、ＦＰＣやＦＲ−４基板等の平面基板上に作製することとしてもよい。

本実施の形態による集磁束コイル３００は、図１に示されるように、送電コイル１５０と受電コイル２５０の間に配置されている。しかし、本発明は、これに限定されるわけではなく、受電コイル２５０に近接して配置されていればよい。例えば、図２に示される非接触電力伝送システム１０ａのように、集磁束コイル３００は、送電コイル１５０と受電コイル２５０の間ではなく外側に配置されていてもよい。即ち、本実施の形態のように、受電装置２００に受電コイル２５０と集磁束コイル３００との双方を設けている場合、受電装置２００を上下反転して送電装置１００の上に配置することとしてもよい。

上述したように本実施の形態による集磁束コイル３００は、所定周波数を共振周波数とするように調整されている。ここで、所定周波数は、磁束を発生させるために送電コイル１５０に流す電流の周波数である。集磁束コイル３００の共振周波数は、コンデンサを付加したり、集磁束コイル３００自体の自己共振や基板上の銅箔パターンと集磁束コイル３００との重なりによって生じた容量成分を利用することによって調整することができる。

本実施の形態による非接触電力伝送システム１０において、送電コイル１５０と集磁束コイル３００の結合係数が０．０１以上となり、且つ、受電コイル２５０と集磁束コイル３００の結合係数が０．３以上となるように、送電コイル１５０、受電コイル２５０及び集磁束コイル３００は、設計配置されている。

特に、本実施の形態による非接触電力伝送システム１０においては、受電コイル２５０と集磁束コイル３００の平均外形寸法が送電コイル１５０の平均外形寸法の１／５以下となり、且つ、受電コイル２５０と集磁束コイル３００との間隔が集磁束コイル３００の平均外形寸法の１／１０以下となるように、送電コイル１５０、受電コイル２５０及び集磁束コイル３００は、設計配置されている。ここで、平均外形寸法とは、夫々のコイルの重心から外形までの距離の平均値である。

送電コイル１５０及び受電コイル２５０の少なくとも一方の面であって送電コイル１５０と受電コイル２５０の対向面の反対側の面である非対向面に磁性体を配置することとしてもよい。磁性体としては、例えば、アモルファス合金、パーマロイ、珪素鋼、センダスト合金及び軟磁性フェライト等の軟磁性体であって、一種類もしくは、複数の異なる透磁率を持った磁性材料を組み合わせた複合材を使用することもできる。

また、送電コイル１５０及び受電コイル２５０の少なくとも一方の非対向面にシールド材を配置することとしてもよい。上述した磁性体が非対向面上に配置されていた場合には、その磁性体上にシールド材を配置することとしてもよい。シールド材としては、例えば、板状又はシート状のものを用いることができる。

図１に示される送電装置１００は、送電コイル１５０を一つだけ備えているが、例えば、送電装置１００内に複数の送電コイル１５０を並置することとしても良い。

本実施の形態による非接触電力伝送システム１０においては、送電コイル１５０が受電コイル２５０と比較してかなり大きい場合であっても受電コイル２５０近傍に集磁束コイル３００が設けられていることから送電コイル１５０から受電コイル２５０に対して比較的高い効率で且つ安定した電力伝送を行うことができる。このため、一つの送電装置１００の上に複数の受電装置２００を配置して、それらの受電装置２００に対して同時に電力伝送することもできる。

本実施の形態による非接触電力伝送システム１０の能力を検証するため、実施例として、リッツ線を用いて、非接触電力伝送システム１０における送電コイル１５０、受電コイル２５０及び集磁束コイル３００の夫々を作成した。具体的には、集磁束コイル３００は外径４０ｍｍ、内径を１０ｍｍ、巻き数を１層あたり２０ターンとして２層巻き、４０ターンとした。受電コイル２５０は、外径を３０ｍｍ、内径を２７ｍｍとし、巻き数を２ターンとした。送電コイル１５０は、外径２５０ｍｍ〜２００ｍｍ、内径を１８０ｍｍ〜２２８ｍｍとし、巻き数を１０ターンとした。更に、集磁束コイル３００と受電コイル２５０の結合係数が０．６となるように配置した。

図３に、受電コイル２５０の水平方向への位置ズレに対する効率変化を示す。図３の原点は、送電コイル１５０の中心と受電コイル２５０の中心とが一致した点とした。図３の縦軸は効率を、横軸は位置ズレを示している。図３から理解されるように、位置ズレが１００ｍｍの位置まで伝送効率６８％程度で安定した電力伝送を行うことができる。

図４に、受電コイル２５０の垂直方向へのギャップに対する効率変化を示す。図４の原点は、送電コイル１５０の中心と受電コイル２５０の中心とが一致した点とした。図４の縦軸は効率を、横軸はギャップを示している。図４から理解されるように、ギャップが５０ｍｍの位置まで伝送効率６７％程度で安定した電力伝送を行うことができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、部材や構成の変更があっても本発明に含まれる。例えば、非接触電力伝送システムの構成は図１に示したものに限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加したり、接続関係を変更するなどの種々の変形実施が可能である。また、コイルの共振周波数は、任意の周波数に設定することが可能である。すなわち、当業者であれば当然なしえるであろう各種変形や修正もまた、本発明に含まれるものである。

本発明の非接触電力伝送システムは、例えば、携帯電話、ヘッドセット、デジタルカメラ、デジタルビデオ等の携帯機器に対して充電器・充電台から電力伝送することにより充電するシステムなどに利用することができる。

１０非接触電力伝送システム
１００送電装置
１５０送電コイル
２００受電装置
２５０受電コイル
３００集磁束コイル

Claims

電磁誘導を利用して１つの送電コイルを有する送電装置から１つの受電コイルを夫々有する複数の受電装置に非接触にて電力伝送する非接触電力伝送システムであって、
前記送電コイルで発生した磁束を集めて前記受電コイルの夫々に効率よく受け渡すための集磁束コイルを更に備えており、
前記送電コイルと前記集磁束コイルの結合係数は０．０１以上であり、
前記受電コイルと前記集磁束コイルの結合係数は０．３以上であり、
重心から外形までの距離の平均値である平均外形寸法に関して、前記受電コイルと前記集磁束コイルの平均外形寸法は前記送電コイルの平均外形寸法の１／５以下であり、
前記受電コイルと前記集磁束コイルとの間隔は前記集磁束コイルの平均外形寸法の１／１０以下である
非接触電力伝送システム。
請求項１記載の非接触電力伝送システムであって、
前記集磁束コイルは、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に配置される
非接触電力伝送システム。
請求項１記載の非接触電力伝送システムであって、
前記集磁束コイルは、前記送電コイルと前記受電コイルの外側に配置される
非接触電力伝送システム。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の非接触電力伝送システムであって、
前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の面であって前記送電コイルと前記受電コイルの対向面の反対側の面である非対向面に配置された磁性体を更に備える
非接触電力伝送システム。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の非接触電力伝送システムであって、
前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の前記非対向面上の最も外側に配置されたシールド材を更に備える
非接触電力伝送システム。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の非接触電力伝送システムであって、
前記送電装置は、前記送電コイルに対して、所定周波数の電流を流すことにより、前記磁束を発生させるものであり、
前記集磁束コイルは、前記所定周波数を共振周波数とするように調整されている
非接触電力伝送システム。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の非接触電力伝送システムであって、
前記送電装置は、前記送電コイルを複数個備えている
非接触電力伝送システム。
電磁誘導を利用して１つの送電コイルを有する送電装置から１つの受電コイルを夫々有する複数の受電装置に非接触にて電力伝送する非接触電力伝送方法であって、
前記送電コイルと前記集磁束コイルの結合係数は０．０１以上であり、
前記受電コイルと前記集磁束コイルの結合係数は０．３以上であり、
重心から外形までの距離の平均値である平均外形寸法に関して、前記受電コイルと前記集磁束コイルの平均外形寸法は前記送電コイルの平均外形寸法の１／５以下であり、
前記受電コイルと前記集磁束コイルとの間隔は前記集磁束コイルの平均外形寸法の１／１０以下である、非接触電力伝送方法において、
前記受電装置の夫々に対して、前記送電コイルで発生した磁束を集めて前記受電コイルに効率よく受け渡すための集磁束コイルを更に設けることにより、前記複数の受電装置に対して前記送電装置から同時に電力を伝送する
非接触電力伝送方法。