JP5742548B2 - 無線電力伝送装置および方法 - Google Patents
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このように、上述した文献に記載の技術では、電力伝送効率の低下を抑制した状態で、中継器の設置により送電器と受電器を含む装置全長を長くすることができる。
送電器と、前記送電器から伝送された電力を取り出す受電器と、を備え、
前記送電器は、
共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器が当該共振器の発生する電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態となる第1の共振器列と、
周波数が該共振周波数と略同一の周波数成分からなる電力を発生させて前記発生された電力を前記第1の共振器列の一端に供給する入力部と、を含み、
前記受電器は、
前記共振周波数と共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器が当該共振器の発生する電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態となる第2の共振器列と、
前記送電器から伝送された前記電力を、前記第2の共振器列の一端から取り出す出力部と、を含み、
前記送電器の前記第1の共振器列の内、前記入力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、前記受電器の前記第2の共振器列の内、前記出力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、を電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とし、
前記送電器の前記共振器の数と前記受電器の前記共振器の数が共に等しく、
前記送電器の前記第1の共振器列の、前記入力部側から順に数えた各々の結合係数が、
前記受電器の前記第2の共振器列の、前記出力部側から順に数えた結合係数と、
各々同じ順番の結合係数間で略同一の値を取る。
共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器を含む第1の共振器列と、前記第1の共振器列の一端に設けられた入力部とを含む送電器と、前記共振周波数と共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器を含む第2の共振器列と、前記送電器から伝送された電力を前記第2の共振器列の一端から取り出す出力部と、を含む受電器と、を設け、
前記送電器の前記第1の共振器列を、当該共振器の発生する電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とし、
前記送電器の前記入力部が、周波数が該共振周波数と略同一の周波数成分からなる電力を発生させ、
前記送電器の前記入力部が前記発生した電力を前記第1の共振器列の一端に供給し、
前記送電器の前記第1の共振器列の内、前記入力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、前記受電器の前記第2の共振器列の内、前記出力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、を電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とし、
前記受電器の前記出力部が、前記送電器から伝送された前記電力を、前記第2の共振器列の前記一端から取り出し、
前記送電器の前記共振器の数と前記受電器の前記共振器の数が共に等しく、
前記送電器の前記第1の共振器列の、前記入力部側から順に数えた各々の結合係数が、
前記受電器の前記第2の共振器列の、前記出力部側から順に数えた結合係数と、
各々同じ順番の結合係数間で略同一の値を取る。
図1は、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送装置1の構成を模式的に示すブロック図である。
図1に示すように、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送装置1は、送電器100と、送電器100から伝送された電力を取り出す受電器200と、を備え、送電器100は、共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器102(共振器RF1、共振器RFn、ここで、nは2以上の整数)が当該共振器102の発生する電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態となる第1の共振器列110と、周波数が該共振周波数と略同一の周波数成分からなる電力Piを発生させて当該発生された電力Piを第1の共振器列110の一端112に供給する入力部120と、を少なくとも有し、受電器200は、共振器102の共振周波数と共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器202(共振器RFn+1、共振器RFn+m、ここで、mは2以上の整数)が当該共振器202の発生する電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態となる第2の共振器列210と、送電器100から伝送された電力Poを、第2の共振器列210の一端212から取り出す出力部220と、を少なくとも有し、送電器100の第1の共振器列110の内、入力部120と繋がる一端112と異なる端部に位置する他端114の共振器102(共振器RFn)と、受電器200の第2の共振器列210の内、出力部220と繋がる一端212と異なる端部に位置する他端214の共振器202(共振器RFn+1)とを電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態とする。
入力部120および出力部220は、たとえば、ループコイルを用いて構成することができる。また、ループ以外に、線路をタップしてもよい。
各共振器RFiの無負荷Q値は、共振器毎に異なる値を取りうるが、詳細については後述し、ここでは、図2に示すように、すべてQuとする。
図2に示すように、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送装置1は、送電器100の共振器列110の、入力部120側から順に数えた各々の結合係数ki,jが、受電器200の共振器列210の、出力部220側から順に数えた結合係数kj,iと、各々同じ順番の結合係数間で略同一の値を取る。
すなわち、送電器100の共振器列110と受電器200の共振器列210において、対称的な位置にある隣接共振器間結合係数が略同一の値を取る。
本発明の無線電力伝送方法は、図1の無線電力伝送装置1に、共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器102(共振器RF1、共振器RFn)を含む第1の共振器列110と、第1の共振器列110の一端に設けられた入力部120とを含む送電器100と、共振器102の共振周波数と共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器202(共振器RFn+1、共振器RFn+m、)を含む第2の共振器列210と、送電器100から伝送された電力を第2の共振器列210の一端から取り出す出力部220と、を含む受電器200と、を設け、送電器100の第1の共振器列110が、当該共振器102の発生する電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態とし、送電器100の入力部120が、周波数が該共振周波数と略同一の周波数成分からなる電力Piを発生させ、送電器100の入力部120が発生した電力Piを第1の共振器列110の一端に供給し、送電器100の第1の共振器列110の内、入力部120と繋がる一端112と異なる端部に位置する他端114の共振器102(共振器RFn)と、受電器200の第2の共振器列210の内、出力部220と繋がる一端212と異なる端部に位置する他端214の共振器102(共振器RFn+1)と、を電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とし、受電器200の出力部220が、送電器100から伝送された電力Poを、第2の共振器列210の一端212から取り出す。
電界による結合の強さと磁界による結合の強さの大小が反転する場合を除いて、図3に示すように、結合係数は共振器間距離に依存し、共振器間距離の増大と共に共振器間の結合係数は単調に低下する。
なお、磁界による結合の強さより、電界による結合の強さは共振器間距離の増大と共に急峻に低下することが考えられる。従って、共振器間距離をより伸ばすためには磁界による共鳴現象を用いることが望ましい。
また、表1に示されるように、図1の送電器100と受電器200の共振器102および共振器202を合わせた数n+mが3個以下の場合と、n+mが4個以上の場合のk1,2とkn+m−1,n+mと比較して、n+mが4個以上の場合の隣接共振器間結合係数ki,i+1(2≦i≦n+m−2)は20%ほど小さい値を取る場合が多い。
従って、本発明によれば、送電器100の共振器102と受電器200の共振器202を合わせた数n+mを偶数とすることで、送電器100と受電器200の間の隣接共振器間距離d1(図1)を長距離化できる無線電力伝送装置1を提供することができる。
図7は、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送装置2を模式的に示すブロック図である。
本実施形態の無線電力伝送装置2は、上記実施形態とは、送電器300の第1の共振器列310の共振器302の数と、受電器400の第2の共振器列410の共振器402の数が等しく2個である点で相違する。送電器300の共振器302は、図7の左から順に共振器RF1、共振器RF2とし、受電器400の共振器402は、図7の左から順に共振器RF3、共振器RF4と番号付けする。
以下、本実施形態の無線電力伝送装置2の送電器300の共振器302の数と受電器400の共振器402の数を共に等しく2個とした場合の効果について説明する。
図7の本実施形態の無線電力伝送装置2において、送電器300の共振器302の数と受電器400の共振器402の数が共に等しく2個の場合に、共振器の無負荷Q値の組合せに依存する、周波数帯域内の電力伝送効率の最大値を図8に図示した。なお、比帯域1%のバターワース型で計算し、4つの共振器の無負荷Q値QUを1000または100で組み合わせ、(a)から(j)の場合分けを行った。
そこで、たとえば、Q値の小さい共振器を1個用いて大型化を抑制する(b)と(c)の場合や、さらに2個用いる(d)から(g)の場合、3個用いる(h)と(i)の場合を想定する。各々比較すると、4つの共振器のうち、2番目と3番目の共振器に無負荷Q値の高い共振器を配置した場合に、1番目と4番目の共振器に無負荷Q値の高い共振器を配置した場合に比較して、電力伝送効率が高くなることが分る。
たとえば、隣接共振器間結合係数の小さい順に、無負荷Q値の高い共振器を配置することが望ましい。さらに隣接共振器間結合係数の逆数に比例して隣接共振器の無負荷Q値を配分することが望ましい。
まず、図7の左から入力された電力Piが、入力部320を通って、外部Q値Qe−inを通してインピーダンス整合して共振器RF1を共振させる。共振器RF1と共振器RF2との間は磁界を通して共鳴させ、その結合係数はk1,2とする。共振器RF2が形成する磁界は、結合係数k2,3を通して共振器RF3を共鳴させ、共振器RF3が共振する。さらに共振器RF3が形成する磁界は、結合係数k3,4を通して共振器RF4を共鳴させ、共振器RF4が共振する。
このように、隣接共振器間結合係数の小さい順に、無負荷Q値の高い共振器を配置することが望ましい。さらに、隣接共振器間結合係数の逆数に比例して隣接共振器の無負荷Q値を配分することが望ましい。
一方、同じく比帯域1.5%で、本発明に従って、共振器数n+mを4個とした場合、k2,3=0.00812となり、共振器間距離は58.35cmとなり、比較例の場合より12%、隣接共振器間距離を伸ばすことができる。
以下、参考形態の例を付記する。
1. 送電器と、前記送電器から伝送された電力を取り出す受電器と、を備え、
前記送電器は、
共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器が当該共振器の発生する電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態となる第1の共振器列と、
周波数が該共振周波数と略同一の周波数成分からなる電力を発生させて前記発生された電力を前記第1の共振器列の一端に供給する入力部と、を含み、
前記受電器は、
前記共振周波数と共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器が当該共振器の発生する電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態となる第2の共振器列と、
前記送電器から伝送された前記電力を、前記第2の共振器列の一端から取り出す出力部と、を含み、
前記送電器の前記第1の共振器列の内、前記入力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、前記受電器の前記第2の共振器列の内、前記出力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、を電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とする無線電力伝送装置。
2. 1.に記載の無線電力伝送装置において、
前記送電器の前記共振器の数と前記受電器の前記共振器の数が共に等しい無線電力伝送装置。
3. 2.に記載の無線電力伝送装置において、
前記送電器の前記第1の共振器列の、前記入力部側から順に数えた各々の結合係数が、
前記受電器の前記第2の共振器列の、前記出力部側から順に数えた結合係数と、
各々同じ順番の結合係数間で略同一の値を取る無線電力伝送装置。
4. 3.に記載の無線電力伝送装置において、
前記送電器の前記共振器の数と前記受電器の前記共振器の数が共に等しく2個である無線電力伝送装置。
5. 1.に記載の無線電力伝送装置において、
前記送電器の前記第1の共振器列の内、前記入力部と繋がる前記一端と異なる前記端部に位置する共振器に無負荷Q値が最大の共振器を用い、または、前記受電器の前記第2の共振器列の内、前記出力部と繋がる前記一端と異なる前記端部に位置する共振器に無負荷Q値が最大の共振器を用いる無線電力伝送装置。
6. 共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器を含む第1の共振器列と、前記第1の共振器列の一端に設けられた入力部とを含む送電器と、前記共振周波数と共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器を含む第2の共振器列と、前記送電器から伝送された電力を前記第2の共振器列の一端から取り出す出力部と、を含む受電器と、を設け、
前記送電器の前記第1の共振器列を、当該共振器の発生する電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とし、
前記送電器の前記入力部が、周波数が該共振周波数と略同一の周波数成分からなる電力を発生させ、
前記送電器の前記入力部が前記発生した電力を前記第1の共振器列の一端に供給し、
前記送電器の前記第1の共振器列の内、前記入力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、前記受電器の前記第2の共振器列の内、前記出力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、を電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とし、
前記受電器の前記出力部が、前記送電器から伝送された前記電力を、前記第2の共振器列の前記一端から取り出す無線電力伝送方法。
100 送電器
102、RF1、・・・、RFn 共振器
110 第1の共振器列
112 一端
114 他端
120 入力部
122 入力端子
200 受電器
202、RFn+1、・・・、RFn+m 共振器
210 第2の共振器列
212 一端
214 他端
220 出力部
222 出力端子
d1 隣接共振器間距離
fo 共振周波数
Qu 無負荷Q値
k 結合係数
Qe−in、Qe−out 外部Q値
2 無線電力伝送装置
300 送電器
302、RF1、RF2 共振器
310 第1の共振器列
320 入力部
400 受電器
402、RF3、RF4 共振器
410 第2の共振器列
420 出力部
d2 隣接共振器間距離
Claims (4)
- 送電器と、前記送電器から伝送された電力を取り出す受電器と、を備え、
前記送電器は、
共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器が当該共振器の発生する電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態となる第1の共振器列と、
周波数が該共振周波数と略同一の周波数成分からなる電力を発生させて前記発生された電力を前記第1の共振器列の一端に供給する入力部と、を含み、
前記受電器は、
前記共振周波数と共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器が当該共振器の発生する電界または磁界を通して共鳴し、直列の結合状態となる第2の共振器列と、
前記送電器から伝送された前記電力を、前記第2の共振器列の一端から取り出す出力部と、を含み、
前記送電器の前記第1の共振器列の内、前記入力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、前記受電器の前記第2の共振器列の内、前記出力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、を電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とし、
前記送電器の前記共振器の数と前記受電器の前記共振器の数が共に等しく、
前記送電器の前記第1の共振器列の、前記入力部側から順に数えた各々の結合係数が、
前記受電器の前記第2の共振器列の、前記出力部側から順に数えた結合係数と、
各々同じ順番の結合係数間で略同一の値を取る無線電力伝送装置。 - 請求項1に記載の無線電力伝送装置において、
前記送電器の前記共振器の数と前記受電器の前記共振器の数が共に等しく2個である無線電力伝送装置。 - 請求項1に記載の無線電力伝送装置において、
前記送電器の前記第1の共振器列の内、前記入力部と繋がる前記一端と異なる前記端部に位置する共振器に無負荷Q値が最大の共振器を用い、または、前記受電器の前記第2の共振器列の内、前記出力部と繋がる前記一端と異なる前記端部に位置する共振器に無負荷Q値が最大の共振器を用いる無線電力伝送装置。 - 共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器を含む第1の共振器列と、前記第1の共振器列の一端に設けられた入力部とを含む送電器と、前記共振周波数と共振周波数が略同一の少なくとも2個の共振器を含む第2の共振器列と、前記送電器から伝送された電力を前記第2の共振器列の一端から取り出す出力部と、を含む受電器と、を設け、
前記送電器の前記第1の共振器列を、当該共振器の発生する電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とし、
前記送電器の前記入力部が、周波数が該共振周波数と略同一の周波数成分からなる電力を発生させ、
前記送電器の前記入力部が前記発生した電力を前記第1の共振器列の一端に供給し、
前記送電器の前記第1の共振器列の内、前記入力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、前記受電器の前記第2の共振器列の内、前記出力部と繋がる前記一端と異なる端部に位置する他端の共振器と、を電界または磁界を通して共鳴させ、直列の結合状態とし、
前記受電器の前記出力部が、前記送電器から伝送された前記電力を、前記第2の共振器列の前記一端から取り出し、
前記送電器の前記共振器の数と前記受電器の前記共振器の数が共に等しく、
前記送電器の前記第1の共振器列の、前記入力部側から順に数えた各々の結合係数が、
前記受電器の前記第2の共振器列の、前記出力部側から順に数えた結合係数と、
各々同じ順番の結合係数間で略同一の値を取る無線電力伝送方法。
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