JP5811353B2

JP5811353B2 - 非接触給電システム

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Publication number: JP5811353B2
Application number: JP2012087211A
Authority: JP
Inventors: 克俊中谷; 正憲佐川; 小谷　一夫; 一夫小谷; 千綿　直文; 直文千綿
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: JP2013219888A; CN103368238A; US20130264886A1

Description

本発明は、電磁界共鳴方式による非接触給電システムに関する。

従来、電磁場の共鳴現象を用いた電磁界共鳴方式によって、給電側から受電側に非接触で給電する非接触給電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の車両用共鳴型非接触給電システムは、電源から電力の供給を受ける送電側共振コイルと、送電側共振コイルからの電力を受電する車両側の受電側共振コイルとを備えて構成されている。

特開２０１２−３４４６８号公報

電磁場の共鳴現象は、送電側共振コイルと受電側共振コイルとが同一の形状及び大きさであり、かつ送電側及び受電側の共鳴コイルの共振周波数で電力を伝送する場合に最も効率が高く、送電側共振コイルに供給される交流電力の周波数がこの共振周波数からずれると、電力の伝送効率が低くなる。

しかし、例えばこの非接触給電システムが普及した場合、異なるメーカーにて製造された共振コイルの間で電力の伝送が行われることが考えられ、共振コイルの形状又は大きさの違いや、あるいは加工誤差又は組付誤差等により、送電側共振コイルの共振周波数と受電側共振コイルの共振周波数とが異なったり、もしくは両共振コイルの共振周波数からずれた周波数の交流電力が送電側共振コイルに供給される場合等があり得る。このような場合には、送電側から受電側への電力の伝送効率が低くなってしまう。

そこで、本発明は、送電側から受電側へ高効率で電力を伝送することができる周波数帯域を広げることが可能な非接触給電システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、送電側の交流電源から受電側の負荷に非接触で給電する非接触給電システムであって、前記交流電源からの交流電力が供給される送電側共振コイルと、前記送電側共振コイルに電磁結合する共振周波数を有する受電側共振コイルとを備え、前記送電側共振コイルと前記交流電源との間に送電側トランスを設けると共に、前記受電側共振コイルと前記負荷との間に受電側トランスを設け、前記送電側トランスは、前記交流電源側の一次コイルの巻き数が前記送電側共振コイル側の二次コイルの巻き数よりも少なく、前記送電側共振コイル側の二次コイルの巻き数が前記交流電源側の一次コイルの巻き数の１倍以上２倍以下であり、前記受電側トランスは、前記受電側共振コイル側の一次コイルの巻き数が前記負荷側の二次コイルの巻き数よりも多く、前記受電側共振コイル側の一次コイルの巻き数が前記負荷側の二次コイルの巻数の１倍以上２倍以下であり、前記交流電源から前記負荷へ伝送損失３ｄＢ以下で前記交流電力を伝送することを特徴とする非接触給電システムを提供する。

また、前記送電側共振コイルと前記受電側共振コイルは、巻き数が同一であることが好ましい。

また、前記送電側共振コイルと前記受電側共振コイルは、それぞれ、樹脂円筒部と、前記樹脂円筒部上に螺旋状に巻き回された巻き線と、前記巻き線を前記送電側トランス及び前記受電側トランスの対応する何れかのトランスに接続するためのコネクタを含むことが好ましい。

本発明に係る非接触給電システムによれば、送電側から受電側へ高効率で電力を伝送することができる周波数帯域を広げることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る非接触給電システムの概略の構成を示す構成図である。トロイダルトランスの構成を詳細に示す外観図である。送電側共振コイル及び受電側共振コイルを詳細に示し、（ａ）はコネクタ側から見た斜視図、（ｂ）はその反対側から見た斜視図である。（ａ）は、トロイダルトランスの一次コイル及び二次コイルの巻き数を変えた場合の電力の伝送損失と交流電力の周波数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。（ａ）は、比較例として、送電装置にトロイダルトランスを設けない場合において、受電装置のトロイダルトランスの巻き数を変更した場合の電力の伝送損失と交流電力の周波数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。（ａ）は、比較例として、受電装置にトロイダルトランスを設けない場合において、送電装置のトロイダルトランスの巻き数を変更した場合の電力の伝送損失と交流電力の周波数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。

［実施の形態］
図１は、本実施の形態に係る非接触給電システムの概略の構成を示す構成図である。

この非接触給電システム１は、送電装置１１から受電装置１２に非接触で電力を供給するものであり、受電装置１２は、例えば走行用の駆動源として電気モータを有する車両や、あるいは携帯電話等の携帯情報端末である。

送電装置１１は、交流電源２１と、送電側トランスとしてのトロイダルトランス３１と、送電側共振コイル４１とを備えている。受電装置１２は、負荷としての蓄電池２２０と、整流器２２１と、受電側トランスとしてのトロイダルトランス３２と、受電側共振コイル４２とを備えている。そして、非接触給電システム１は、送電側共振コイル４１と受電側共振コイル４２との電磁共鳴現象により、送電側の交流電源２１から受電側の蓄電池２２０に、非接触で給電する。

交流電源２１は、例えばトランジスタ等のスイッチング素子により、所定の周波数の交流電力を出力する。

トロイダルトランス３１は、交流電源２１と送電側共振コイル４１との間に設けられ、リング状の磁性体からなるコア３１０と、コア３１０に巻き回された交流電源２１側の一次巻線３１１と、同じくコア３１０に巻き回された送電側共振コイル４１側の二次巻線３１２とを有している。

送電側共振コイル４１は、巻線４１１が螺旋状に巻き回されて環状をなし、コネクタ４１２が接続された給電点４１ａに、交流電源２１から出力された交流電力がトロイダルトランス３１を介して供給される。巻線４１１は、例えば銅等の良導電性の金属導体をエナメル被覆したエナメル線である。この送電側共振コイル４１は、交流電源２１から出力される交流電力の周波数に対応した共振周波数を有している。

受電側共振コイル４２は、送電側共振コイル４１と共通の形状及び大きさに形成され、送電側共振コイル４１の共振周波数と同じ共振周波数を有している。すなわち、受電側共振コイル４２は、送電側共振コイル４１に電磁結合する共振周波数を有している。また、受電側共振コイル４２は、巻線４２１が螺旋状に巻き回されて環状をなし、コネクタ４２２が接続された出力点４２ａに、トロイダルトランス３２が接続されている。本実施の形態では、送電側共振コイル４１の巻線４１１及び受電側共振コイル４２の巻線４２１がそれぞれ５回巻き回されている。

トロイダルトランス３２は、受電側共振コイル４２と整流器２２１との間、すなわち受電側共振コイル４２と蓄電池２２０との間に設けられ、リング状の磁性体からなるコア３２０と、コア３２０に巻き回された受電側共振コイル４２側の一次巻線３２１と、同じくコア３２０に巻き回された整流器２２１側の二次巻線３２２とを有している。

整流器２２１は、トロイダルトランス３２の二次巻線３２２に発生する交流電力を整流し、直流電力に変換して蓄電池２２０に供給する。この整流器２２１は、例えばダイオードブリッジ回路と平滑回路とを有して構成される。

蓄電池２２０は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池からなる二次電池である。蓄電池２２０に蓄えられた電力は、例えば電気モータの駆動や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えた電子回路の動作のために供される。

図２は、トロイダルトランス３１，３２をより詳細に示す外観図である。トロイダルトランス３１，３２は、同一の構成を有しているので、図２では、トロイダルトランス３１の構成要素の符号とトロイダルトランス３２の構成要素の符号とを併記している。

トロイダルトランス３１は、リング状のコア３１０に一次巻線３１１及び二次巻線３１２を巻き回してなる。図２に示す例では、一次巻線３１１の巻き数が７であり、二次巻線３１２の巻き数が１０である。一次巻線３１１及び二次巻線３１２は、それぞれがコア３１０を１周するように巻き回されている。

また同様に、トロイダルトランス３２は、リング状のコア３２０に一次巻線３２１及び二次巻線３２２を巻き回してなる。図２に示す例では、一次巻線３２１の巻き数が１０であり、二次巻線３２２の巻き数が７である。一次巻線３２１及び二次巻線３２２は、それぞれがコア３２０を１周するように巻き回されている。

このように、本実施の形態では、トロイダルトランス３１の一次巻線３１１の巻き数とトロイダルトランス３２の二次巻線３２２の巻き数が同じであり、トロイダルトランス３１の二次巻線３１２の巻き数とトロイダルトランス３２の一次巻線３２１の巻き数が同じである。トロイダルトランス３１は、一次巻線３１１の巻き数が二次巻線３１２の巻き数よりも少なく、トロイダルトランス３２は、一次巻線３２１の巻き数が二次巻線３２２の巻き数よりも多い。

図３は、送電側共振コイル４１及び受電側共振コイル４２をより詳細に示し、（ａ）はコネクタ４１２，４２２側から見た斜視図、（ｂ）はその反対側から見た斜視図である。送電側共振コイル４１及び受電側共振コイル４２は、同一の構成を有しているので、図３では、送電側共振コイル４１の構成要素の符号と受電側共振コイル４２の構成要素の符号とを併記している。

送電側共振コイル４１は、樹脂からなる円筒部材４１０の外周囲に巻線４１１が螺旋状に巻き回されている。巻線４１１は、コネクタ４１２が接続された給電点４１ａから円筒部材４１０の軸方向の一方に向かって螺旋状に巻き回された第１巻線４１１ａと、給電点４１ａから円筒部材４１０の軸方向の他方に向かって螺旋状に巻き回された第２巻線４１１ｂとからなる。

コネクタ４１２は、針状の第１接点４１２ａと、第１接点４１２ａを囲むように設けられた筒状の第２接点４１２ｂとを有している。第１接点４１２ａには第１巻線４１１ａの一端４１１ａ_１が接続され、第２接点４１２ｂには第２巻線４１１ｂの一端４１１ｂ_１が接続されている。第１巻線４１１ａの他端４１１ａ_２及び第２巻線４１１ｂの他端４１１ｂ_２は開放されている。

このように構成された非接触給電システム１は、交流電源２１から出力された交流電力がトロイダルトランス３１によって昇圧され、送電側共振コイル４１に供給される。これにより、送電側共振コイル４１が発振し、送電側共振コイル４１と受電側共振コイル４２とが共振して電磁結合する。これにより、送電側共振コイル４１から受電側共振コイル４２に非接触で電力が伝送される。

受電側共振コイル４２に伝送された電力は、トロイダルトランス３２によって降圧され、整流器２２１によって整流されて、蓄電池２２０に供給される。蓄電池２２０は、供給された電力を化学反応により蓄電する。

図４（ａ）は、本実施の形態に係る非接触給電システム１において、トロイダルトランス３１及びトロイダルトランス３２の一次巻線３１１，３２１及び二次巻線３１２，３２２の巻き数を変えた場合の電力の伝送損失と交流電源２１が出力する交流電力の周波数との関係を、トロイダルトランス３１，３２を設けない場合と比較して示すグラフであり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部拡大図である。

この実験では、トロイダルトランス３１の一次巻線３１１の巻き数及びトロイダルトランス３２の二次巻線３２２の巻き数を共に７とし、トロイダルトランス３１の二次巻線３１２の巻き数及びトロイダルトランス３２の一次巻線３２１の巻き数を７，１０，１４の３通りに変更して伝送損失を測定した。以下、トロイダルトランス３１の一次巻線３１１の巻き数及びトロイダルトランス３２の二次巻線３２２の巻き数を記号Ｎ_１で表し、トロイダルトランス３１の二次巻線３１２の巻き数及びトロイダルトランス３２の一次巻線３２１の巻き数を記号Ｎ_２で表すこととする。

このグラフ中に太実線及び「■」で示す曲線は、トロイダルトランス３１，３２を設けない場合の特性を示し、細実線及び「◆」で示す曲線はＮ_１＝７，Ｎ_２＝１０の場合の特性を示し、破線及び「○」で示す曲線はＮ_１＝７，Ｎ_２＝７の場合の特性を示し、一点鎖線及び「▲」で示す曲線はＮ_１＝７，Ｎ_２＝１４の場合の特性を示す。

このグラフに示すように、トロイダルトランス３１，３２を設けない場合には、１６ＭＨｚを中心としてその両側の周波数帯において急峻な立ち上がり部が表れている。この場合、例えば伝送損失を３ｄＢ以下に抑えようとすれば、１４．７ＭＨｚ付近及び１７．８ＭＨｚ付近の狭い帯域に交流電源２１が出力する交流電力の周波数を合わせなければならない。

一方、Ｎ_１＝７，Ｎ_２＝１０の場合には、約１３．７ＭＨｚから約１７．４ＭＨｚまでの比較的広い帯域に亘って伝送損失が３ｄＢ以下に抑えられている。また、Ｎ_１＝７，Ｎ_２＝１４の場合には、Ｎ_１＝７，Ｎ_２＝１０の場合よりも帯域幅が狭くなるものの、約１４．１ＭＨｚから約１７ＭＨｚまでの帯域に亘って伝送損失が３ｄＢ以下に抑えられている。Ｎ_１＝７，Ｎ_２＝７の場合には、約１５．５ＭＨｚ付近で伝送損失が大きくなり、その両側の帯域に伝送損失が小さくなる立ち上がり部が表れている。ただし、この場合でも、伝送損失が３ｄＢ以下となる帯域幅は、トロイダルトランス３１，３２を設けない場合よりも広くなっている。

このように、トロイダルトランス３１，３２を設け、一次及び二次巻線３１１，３１２，３２１，３２２の巻き数をＮ_１≦Ｎ_２≦２Ｎ_１の関係を満たすように、すなわちトロイダルトランス３１の二次巻線３１２の巻き数（Ｎ_２）を一次巻線３１１の巻き数（Ｎ_１）の２倍以下とし、かつトロイダルトランス３２の一次巻線３２１の巻き数（Ｎ_２）を二次巻線３２２の巻き数（Ｎ_１）の２倍以下とすると、トロイダルトランス３１，３２を設けない場合に比較して、広い帯域で伝送損失を３ｄＢ以下とすることができる。

（比較例１）
図５（ａ）は、比較例として、受電装置１２にトロイダルトランス３２を設け、送電装置１１にトロイダルトランス３１を設けず、交流電源２１と送電側共振コイル４１とを直接接続した場合において、トロイダルトランス３２の二次巻線３２２の巻き数を７とし、一次巻線３２１の巻き数を７，１０，１４の３通りに変更したときの電力の伝送損失と交流電源２１が出力する交流電力の周波数との関係を、トロイダルトランス３１，３２を設けない場合と比較して示すグラフであり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ部拡大図である。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、送電装置１１にトロイダルトランス３１を設けない場合には、一次巻線３２１の巻き数を変えても、トロイダルトランス３１，３２を設けない場合に比較して伝送損失が大きくなる。この結果、伝送損失が３ｄＢ以下となる帯域幅がないか、もしくはトロイダルトランス３１，３２を設けない場合に比較して伝送損失が３ｄＢ以下となる帯域幅が狭くなる。

（比較例２）
図６（ａ）は、比較例として、送電装置１１にトロイダルトランス３１を設け、受電装置１２にトロイダルトランス３２を設けず、受電側共振コイル４２を整流器２２１に直接接続した場合において、トロイダルトランス３１の一次巻線３１１の巻き数を７とし、二次巻線３１２の巻き数を７，１０，１４の３通りに変更したときの電力の伝送損失と交流電源２１が出力する交流電力の周波数との関係を、トロイダルトランス３１，３２を設けない場合と比較して示すグラフであり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ部拡大図である。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、受電装置１２にトロイダルトランス３２を設けない場合には、二次巻線３１２の巻き数が１４のときにはトロイダルトランス３１，３２を設けない場合よりも広い帯域幅で伝送損失が３ｄＢ以下となるが、二次巻線３１２の巻き数が７又は１０の場合には、トロイダルトランス３１，３２を設けない場合よりも伝送損失が３ｄＢ以下となる帯域幅が狭くなる。

（実施の形態の効果）
以上説明した本実施の形態によれば、送電装置１１から受電装置１２へ高効率（伝送損失が３ｄＢ以下）で電力を伝送することができる周波数帯域を広げることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲でさまざまに変形して実施することが可能である。例えば、送電装置１１及び受電装置１２には、図１等に図示したもの以外の構成を付加してもよい。あるいは、図１等に図示した構成の一部の要素（整流器２２１等）を省略してもよい。また、上記実施の形態では、トランスとしてトロイダルトランスを用いた場合について説明したが、トランスの形式は、トロイダルトランスに限らず種々の形式のものを用いることができる。また、送電側共振コイル４１及び受電側共振コイル４２の形状等についても特に制限はない。

１…非接触給電システム、１１…送電装置、１２…受電装置、２１…交流電源、３１…トロイダルトランス（送電側トランス）、３２…トロイダルトランス（受電側トランス）、４１…送電側共振コイル、４１ａ…給電点、４２…受電側共振コイル、４２ａ…出力点、２２０…蓄電池、２２１…整流器、３１０…コア、３１１…一次巻線、３１２…二次巻線、３２０…コア、３２１…一次巻線、３２２…二次巻線、４１０，４２０…円筒部材、４１１，４２１…巻線、４１１ａ，４２１ａ…第１巻線、４１１ａ_１，４２１ａ_１…一端、４１１ａ_２，４２１ａ_２…他端、４１１ｂ，４２１ｂ…第２巻線、４１１ｂ_１，４２１ｂ_１…一端、４１１ｂ_２，４２１ｂ_２…他端、４１２，４２２…コネクタ、４１２ａ，４２２ａ…第１接点、４１２ｂ，４２２ｂ…第２接点

Claims

送電側の交流電源から受電側の負荷に非接触で給電する非接触給電システムであって、
前記交流電源からの交流電力が供給される送電側共振コイルと、
前記送電側共振コイルに電磁結合する共振周波数を有する受電側共振コイルとを備え、
前記送電側共振コイルと前記交流電源との間に送電側トランスを設けると共に、前記受電側共振コイルと前記負荷との間に受電側トランスを設け、
前記送電側トランスは、前記交流電源側の一次コイルの巻き数が前記送電側共振コイル側の二次コイルの巻き数よりも少なく、前記送電側共振コイル側の二次コイルの巻き数が前記交流電源側の一次コイルの巻き数の１倍以上２倍以下であり、
前記受電側トランスは、前記受電側共振コイル側の一次コイルの巻き数が前記負荷側の二次コイルの巻き数よりも多く、前記受電側共振コイル側の一次コイルの巻き数が前記負荷側の二次コイルの巻数の１倍以上２倍以下であり、
前記交流電源から前記負荷へ伝送損失３ｄＢ以下で前記交流電力を伝送することを特徴とする
非接触給電システム。
前記送電側共振コイルと前記受電側共振コイルは、巻き数が同一である請求項１に記載の非接触給電システム。
前記送電側共振コイルと前記受電側共振コイルは、それぞれ、樹脂円筒部と、前記樹脂円筒部上に螺旋状に巻き回された巻き線と、前記巻き線を前記送電側トランス及び前記受電側トランスの対応する何れかのトランスに接続するためのコネクタを含む請求項１あるいは２に記載の非接触給電システム。