JP5890191B2 - 送電装置、受電装置、および電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、送電装置、受電装置、および電力伝送システムに関する。

近年、環境への配慮からバッテリなどの電力を用いて駆動輪を駆動させるハイブリッド車両や電気自動車などが着目されている。

特に近年は、上記のようなバッテリを搭載した電動車両において、プラグなどを用いずに非接触でバッテリを充電可能なワイヤレス充電が着目されている。そして、最近では非接触の充電方式においても各種の充電方式が提案されている。

非接触の充電方式を用いた電力伝送システムとしては、たとえば、特開２０１１−０７２１８８号公報（特許文献１）、特開２０１０−２３９８４８号公報（特許文献２）、および特開２０１１−０４５１８９号公報（特許文献３）が挙げられる。

これらの電力伝送システムにおいては、送電部をシールド部材で覆い、漏洩電磁界を低減するシールド構造が開示されている。同様に、受電部をシールド部材で覆い、漏洩電磁界を低減するシールド構造が開示されている。

電力伝送で用いられる電磁界は、電界と磁界とによって構成されている。非接触で電力伝送を行なう場合に、シールド部材により電界だけでなく磁界も低減させてしまうと電力伝送の効率が悪くなるという課題がある。

特開２０１１−０７２１８８号公報 特開２０１０−２３９８４８号公報 特開２０１１−０４５１８９号公報

したがって、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、非接触で電力伝送を行なう場合に、電磁界を構成する電界と磁界のうち、電界を低減することが可能な構造を備える、送電装置、受電装置、および電力伝送システムを提供することにある。

この発明に基づいた送電装置においては、受電部に非接触で電力を送電する送電部を備える送電装置であって、上記送電部は、コイルを有し、上記コイルを挟んで対向する位置にシールド部材が配置され、上記シールド部材は少なくとも１箇所電気的に切断されている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記コイルを内部に収容し、両端部を有する筒状体である。

他の形態においては、上記筒状体は、外部とコイルが収容される内部とを連通する孔を有する。

他の形態においては、上記コイルは第１絶縁部材上に配置され、上記シールド部材は、第１シールド部材および第２シールド部材を含み、上記第１シールド部材は、第２絶縁部材上に配置され、上記第２シールド部材は、第３絶縁部材上に配置され、上記第１絶縁部材を上記第２絶縁部材と上記第３絶縁部材とにより挟みこむことで、上記コイルが上記第１シールド部材と上記第２シールド部材とにより挟まれる。

他の形態においては、上記第１絶縁部材、上記第２絶縁部材、および上記第３絶縁部材は絶縁基板である。

他の形態においては、上記送電部の固有周波数と上記受電部の固有周波数との差は、上記受電部の固有周波数の１０％以下である。

他の形態においては、上記受電部と上記送電部との結合係数は、０．１以下である。
他の形態においては、上記送電部は、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、上記受電部に電力を送電する。

この発明に基づいた電力伝送システムの一の局面では、送電部を含む送電装置と、上記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、上記送電部は、コイルを有し、上記コイルを挟んで対向する位置にシールド部材が配置され、上記シールド部材は少なくとも１箇所電気的に切断されている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記コイルを内部に収容し、両端部を有する筒状体である。

他の形態においては、上記筒状体は、外部と上記コイルが収容される内部とを連通する孔を有する。

他の形態においては、上記コイルは第１絶縁部材上に配置され、上記シールド部材は、第１シールド部材および第２シールド部材を含み、上記第１シールド部材は、第２絶縁部材上に配置され、上記第２シールド部材は、第３絶縁部材上に配置され、上記第１絶縁部材を上記第２絶縁部材と上記第３絶縁部材とにより挟みこむことで、上記コイルが上記第１シールド部材と上記第２シールド部材とにより挟まれる。

他の形態においては、上記第１絶縁部材、上記第２絶縁部材、および上記第３絶縁部材は絶縁基板である。

この発明に基づいた受電装置においては、送電部から非接触で電力を受電する受電部を備える受電装置であって、上記受電部は、コイルを有し、上記コイルを挟んで対向する位置にシールド部材が配置されて、上記シールド部材は少なくとも１箇所電気的に切断されている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記コイルを内部に収容し、両端部を有する筒状体である。

他の形態においては、上記筒状体は、外部と上記コイルが収容される内部とを連通する孔を有する。

他の形態においては、上記コイルは第１絶縁部材上に配置され、上記シールド部材は、第１シールド部材および第２シールド部材を含み、上記第１シールド部材は、第２絶縁部材上に配置され、上記第２シールド部材は、第３絶縁部材上に配置され、上記第１絶縁部材を上記第２絶縁部材と上記第３絶縁部材とにより挟みこむことで、上記コイルが上記第１シールド部材と上記第２シールド部材とにより挟まれる。

他の形態においては、上記第１絶縁部材、上記第２絶縁部材、および上記第３絶縁部材は絶縁基板である。

他の形態においては、上記送電部の固有周波数と上記受電部の固有周波数との差は、上記受電部の固有周波数の１０％以下である。

他の形態においては、上記受電部と上記送電部との結合係数は、０．１以下である。
他の形態においては、上記送電部は、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、上記受電部に電力を送電する。

この発明に基づいた電力伝送システムの他の局面では、送電部を含む送電装置と、上記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、上記受電部は、コイルを有し、上記コイルを挟んで対向する位置にシールド部材が配置され、上記シールド部材は少なくとも１箇所電気的に切断されている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記コイルを内部に収容し、両端部を有する筒状体である。

他の形態においては、上記筒状体は、外部と上記コイルが収容される内部とを連通する孔を有する。

他の形態においては、上記コイルは第１絶縁部材上に配置され、上記シールド部材は、第１シールド部材および第２シールド部材を含み、上記第１シールド部材は、第２絶縁部材上に配置され、上記第２シールド部材は、第３絶縁部材上に配置され、上記第１絶縁部材を上記第２絶縁部材と上記第３絶縁部材とにより挟みこむことで、上記コイルが上記第１シールド部材と上記第２シールド部材とにより挟まれる。

他の形態においては、上記第１絶縁部材、上記第２絶縁部材、および上記第３絶縁部材は絶縁基板である。

この発明によれば、非接触で電力伝送を行なう場合に、電磁界を構成する電界と磁界のうち、電界を低減することが可能な構造を備える、送電装置、受電装置、および電力伝送システムを提供することにある。

実施の形態における送電装置、受電装置、および電力伝送システムを模式的に説明する図である。 電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。 シミュレーション結果をしめす図である。 固有周波数を固定した状態で、エアギャップを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイルに供給される電流の周波数ｆとの関係を示す図である。 電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。 実施の形態における電力伝送システムの構成を示す模式図である。 図６中ＶＩＩ線矢視断面図である。 送電側電流値の時間的変化および送電側蓄積電荷の時間的変化を示す模式図である。 本実施の形態におけるシールド部材を設けない場合と設けた場合との、電磁界発生原理を示す模式図である。 本実施の形態におけるシールド部材を設けない場合と設けた場合との、コイル中心からの距離と磁界との関係を示す図である。 本実施の形態におけるシールド部材を設けない場合と設けた場合との、コイル中心からの距離と電界との関係を示す図である。 本実施の形態におけるシールド部材を設けない場合と設けた場合との、周波数と伝送効率との関係を示す図である。 他の実施の形態における電力伝送システムの概略構成を示す模式図である。 本発明の電力伝送システムの概略構成を示す模式図である。 他の実施の形態におけるシールド部材の構造を示す模式図である。 さらに他の実施の形態におけるシールド部材の構造を示す模式図である。 図１６に示すシールド部材の構造を示す分解斜視図である。 さらに他の実施の形態におけるシールド部材の構造を示す模式図である。

本発明に基づいた実施の形態における送電装置、受電装置、および電力伝送システムについて、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。また、各実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。

（実施の形態）
図１を参照して、本実施の形態に係る電力伝送システムについて説明する。図１は、実施の形態における送電装置、受電装置、および電力伝送システムを模式的に説明する図である。

本実施の形態１に係る電力伝送システムは、受電装置４０を含む電動車両１０と、送電装置４１を含む外部給電装置２０とを有する。電動車両１０の受電装置は、送電装置４１が設けられた駐車スペース４２の所定位置に停車して、主に、送電装置４１から電力を受電する。

駐車スペース４２には、電動車両１０を所定の位置に停車させるように、輪止や、駐車位置および駐車範囲を示すラインが設けられている。

外部給電装置２０は、交流電源２１に接続された高周波電力ドライバ２２と、高周波電力ドライバ２２などの駆動を制御する制御部２６と、この高周波電力ドライバ２２に接続された送電装置４１とを含む。送電装置４１は、送電部２８と、電磁誘導コイル２３とを含む。送電部２８は、共鳴コイル２４と、共鳴コイル２４に接続されたキャパシタ２５とを含む。電磁誘導コイル２３は、高周波電力ドライバ２２に電気的に接続されている。なお、この図１に示す例においては、キャパシタ２５が設けられているが、キャパシタ２５は必ずしも必須の構成ではない。

送電部２８は、共鳴コイル２４のインダクタンスと、共鳴コイル２４の浮遊容量およびキャパシタ２５のキャパシタンスとから形成された電気回路を含む。

電動車両１０は、受電装置４０と、受電装置４０に接続された整流器１３と、この整流器１３に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４に接続されたバッテリ１５と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ（Power Control Unit））１６と、このパワーコントロールユニット１６に接続されたモータユニット１７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４やパワーコントロールユニット１６などの駆動を制御する車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８とを備える。なお、本実施の形態に係る電動車両１０は、図示しないエンジンを備えたハイブリッド車両であるが、モータにより駆動される車両であれば、電気自動車や燃料電池車両も含む。

整流器１３は、電磁誘導コイル１２に接続されており、電磁誘導コイル１２から供給される交流電流を直流電流に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、整流器１３から供給された直流電流の電圧を調整して、バッテリ１５に供給する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は必須の構成ではなく省略してもよい。この場合には、外部給電装置２０にインピーダンスを整合するための整合器を送電装置４１と高周波電力ドライバ２２との間に設けることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の代用をすることができる。

パワーコントロールユニット１６は、バッテリ１５に接続されたコンバータと、このコンバータに接続されたインバータとを含み、コンバータは、バッテリ１５から供給される直流電流を調整（昇圧）して、インバータに供給する。インバータは、コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して、モータユニット１７に供給する。

モータユニット１７は、たとえば、三相交流モータなどが採用されており、パワーコントロールユニット１６のインバータから供給される交流電流によって駆動する。

なお、電動車両１０がハイブリッド車両の場合には、電動車両１０は、エンジンをさらに備える。モータユニット１７は、発電機として主に機能するモータジェネレータと、電動機として主に機能するモータジェネレータとを含む。

受電装置４０は、受電部２７と、電磁誘導コイル１２とを含む。受電部２７は、共鳴コイル１１とキャパシタ１９とを含む。共鳴コイル１１は浮遊容量を有する。このため、受電部２７は、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスとによって形成された電気回路を有する。なお、キャパシタ１９は、必須の構成ではなく、省略することができる。

本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８の固有周波数と、受電部２７の固有周波数との差は、受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％以下である。このような範囲に各送電部２８および受電部２７の固有周波数を設定することで、電力伝送効率を高めることができる。その一方で、固有周波数の差が受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％よりも大きくなると、電力伝送効率が１０％より小さくなり、バッテリ１５の充電時間が長くなるなどの弊害が生じる。

ここで、送電部２８の固有周波数とは、キャパシタ２５が設けられていない場合には、共鳴コイル２４のインダクタンスと、共鳴コイル２４のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ２５が設けられた場合には、送電部２８の固有周波数とは、共鳴コイル２４およびキャパシタ２５のキャパシタンスと、共鳴コイル２４のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、送電部２８の共振周波数とも呼ばれる。

同様に、受電部２７の固有周波数とは、キャパシタ１９が設けられていない場合には、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ１９が設けられた場合には、受電部２７の固有周波数とは、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスと、共鳴コイル１１のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、受電部２７の共振周波数とも呼ばれる。

図２および図３を用いて、固有周波数の差と電力伝送効率との関係とを解析したシミュレーション結果について説明する。図２は、電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す。電力伝送システム８９は、送電装置９０と、受電装置９１とを備え、送電装置９０は、電磁誘導コイル９２と、送電部９３とを含む。送電部９３は、共鳴コイル９４と、共鳴コイル９４に設けられたキャパシタ９５とを含む。

受電装置９１は、受電部９６と、電磁誘導コイル９７とを備える。受電部９６は、共鳴コイル９９とこの共鳴コイル９９に接続されたキャパシタ９８とを含む。

共鳴コイル９４のインダクタンスをインダクタンスＬｔとし、キャパシタ９５のキャパシタンスをキャパシタンスＣ１とする。共鳴コイル９９のインダクタンスをインダクタンスＬｒとし、キャパシタ９８のキャパシタンスをキャパシタンスＣ２とする。このように各パラメータを設定すると、送電部９３の固有周波数ｆ１は、下記の式（１）によって示され、受電部９６の固有周波数ｆ２は、下記の式（２）によって示される。

ｆ１＝１／{２π（Ｌｔ×Ｃ１）^1/2}・・・（１）
ｆ２＝１／{２π（Ｌｒ×Ｃ２）^1/2}・・・（２）
ここで、インダクタンスＬｒおよびキャパシタンスＣ１，Ｃ２を固定して、インダクタンスＬｔのみを変化させた場合において、送電部９３および受電部９６の固有周波数のズレと、電力伝送効率との関係を図３に示す。なお、このシミュレーションにおいては、共鳴コイル９４および共鳴コイル９９の相対的な位置関係は固定した状態であって、さらに、送電部９３に供給される電流の周波数は一定である。

図３に示すグラフのうち、横軸は、固有周波数のズレ（％）を示し、縦軸は、一定周波数での伝送効率（％）を示す。固有周波数のズレ（％）は、下記式（３）によって示される。

（固有周波数のズレ）＝{（ｆ１−ｆ２）／ｆ２}×１００（％）・・・（３）
図３からも明らかなように、固有周波数のズレ（％）が±０％の場合には、電力伝送効率は、１００％近くとなる。固有周波数のズレ（％）が±５％の場合には、電力伝送効率は、４０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１０％の場合には、電力伝送効率は、１０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１５％の場合には、電力伝送効率は、５％となる。すなわち、固有周波数のズレ（％）の絶対値（固有周波数の差）が、受電部９６の固有周波数の１０％以下の範囲となるように各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率を高めることができることがわかる。さらに、固有周波数のズレ（％）の絶対値が受電部９６の固有周波数の５％以下となるように、各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率をより高めることができることがわかる。なお、シミュレーションソフトしては、電磁界解析ソフトウェア（JMAG（登録商標）：株式会社ＪＳＯＬ製）を採用している。

次に、本実施の形態に係る電力伝送システムの動作について説明する。
図１において、電磁誘導コイル２３には、高周波電力ドライバ２２から交流電力が供給される。電磁誘導コイル２３に所定の交流電流が流れると、電磁誘導によって共鳴コイル２４にも交流電流が流れる。この際、共鳴コイル２４を流れる交流電流の周波数が特定の周波数となるように、電磁誘導コイル２３に電力が供給されている。

共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れると、共鳴コイル２４の周囲には特定の周波数で振動する電磁界が形成される。

共鳴コイル１１は、共鳴コイル２４から所定範囲内に配置されており、共鳴コイル１１は共鳴コイル２４の周囲に形成された電磁界から電力を受け取る。

本実施の形態においては、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４は、所謂、ヘリカルコイルが採用されている。このため、共鳴コイル２４の周囲には、特定の周波数で振動する磁界が主に形成され、共鳴コイル１１は当該磁界から電力を受け取る。

ここで、共鳴コイル２４の周囲に形成される特定の周波数の磁界について説明する。「特定の周波数の磁界」は、典型的には、電力伝送効率と共鳴コイル２４に供給される電流の周波数と関連性を有する。そこで、まず、電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数との関係について説明する。共鳴コイル２４から共鳴コイル１１に電力を伝送するときの電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の間の距離などの様々な要因よって変化する。たとえば、送電部２８および受電部２７の固有周波数（共振周波数）を固有周波数ｆ０とし、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を周波数ｆ３とし、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４の間のエアギャップをエアギャップＡＧとする。

図４は、固有周波数ｆ０を固定した状態で、エアギャップＡＧを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数ｆ３との関係を示すグラフである。

図４に示すグラフにおいて、横軸は、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３を示し、縦軸は、電力伝送効率（％）を示す。効率曲線Ｌ１は、エアギャップＡＧが小さいときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３との関係を模式的に示す。この効率曲線Ｌ１に示すように、エアギャップＡＧが小さい場合には、電力伝送効率のピークは周波数ｆ４，ｆ５（ｆ４＜ｆ５）において生じる。エアギャップＡＧを大きくすると、電力伝送効率が高くなるときの２つのピークは、互いに近づくように変化する。そして、効率曲線Ｌ２に示すように、エアギャップＡＧを所定距離よりも大きくすると、電力伝送効率のピークは１つとなり、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数が周波数ｆ６のときに電力伝送効率がピークとなる。エアギャップＡＧを効率曲線Ｌ２の状態よりもさらに大きくすると、効率曲線Ｌ３に示すように電力伝送効率のピークが小さくなる。

たとえば、電力伝送効率の向上を図るため手法として次のような第１の手法が考えられる。第１の手法としては、エアギャップＡＧにあわせて、図１に示す共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を一定として、キャパシタ２５やキャパシタ１９のキャパシタンスを変化させることで、送電部２８と受電部２７との間での電力伝送効率の特性を変化させる手法が考えられる。具体的には、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を一定とした状態で、電力伝送効率がピークとなるように、キャパシタ２５およびキャパシタ１９のキャパシタンスを調整する。この手法では、エアギャップＡＧの大きさに関係なく、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数は一定である。なお、電力伝送効率の特性を変化させる手法としては、送電装置４１と高周波電力ドライバ２２との間に設けられた整合器を利用する手法や、コンバータ１４を利用する手法などを採用することもできる。

また、第２の手法としては、エアギャップＡＧの大きさに基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する手法である。たとえば、図４において、電力伝送特性が効率曲線Ｌ１となる場合には、共鳴コイル２４には周波数が周波数ｆ４または周波数ｆ５の電流を共鳴コイル２４を供給する。そして、周波数特性が効率曲線Ｌ２，Ｌ３となる場合には、周波数が周波数ｆ６の電流を共鳴コイル２４に供給する。この場合では、エアギャップＡＧの大きさに合わせて共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数を変化させることになる。

第１の手法では、共鳴コイル２４を流れる電流の周波数は、固定された一定の周波数となり、第２の手法では、共鳴コイル２４を流れる周波数は、エアギャップＡＧによって適宜変化する周波数となる。第１の手法や第２の手法などによって、電力伝送効率が高くなるように設定された特定の周波数の電流が共鳴コイル２４に供給される。共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れることで、共鳴コイル２４の周囲には、特定の周波数で振動する磁界（電磁界）が形成される。受電部２７は、受電部２７と送電部２８の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界を通じて送電部２８から電力を受電している。したがって、「特定の周波数で振動する磁界」とは、必ずしも固定された周波数の磁界とは限らない。なお、上記の例では、エアギャップＡＧに着目して、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を設定するようにしているが、電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の水平方向のずれ等のように他の要因によっても変化するものであり、当該他の要因に基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する場合がある。

本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、電磁界の「静電界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用することで、送電および受電効率の向上が図られている。図５は、電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。図５を参照して、電磁界は３つの成分から成る。曲線ｋ１は、波源からの距離に反比例した成分であり、「輻射電界」と称される。曲線ｋ２は、波源からの距離の２乗に反比例した成分であり、「誘導電界」と称される。また、曲線ｋ３は、波源からの距離の３乗に反比例した成分であり、「静電界」と称される。なお、電磁界の波長を「λ」とすると、「輻射電界」と「誘導電界」と「静電界」との強さが略等しくなる距離は、λ／２πとあらわすことができる。

「静電界」は、波源からの距離とともに急激に電磁波の強度が減少する領域であり、本実施の形態に係る電力伝送システムでは、この「静電界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用してエネルギー（電力）の伝送が行なわれる。すなわち、「静電界」が支配的な近接場において、近接する固有周波数を有する送電部２８および受電部２７（たとえば一対のＬＣ共振コイル）を共鳴させることにより、送電部２８から他方の受電部２７へエネルギー（電力）を伝送する。この「静電界」は遠方にエネルギーを伝播しないので、遠方までエネルギーを伝播する「輻射電界」によってエネルギー（電力）を伝送する電磁波に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギー損失で送電することができる。

このように、本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８と受電部２７とを電磁界によって共振させることで送電装置４１から受電装置４０に電力を送電している。そして、送電部２８と受電部２７との間の結合係数（κ）は、０．１以下である。なお、一般的に電磁誘導を利用した電力伝送では、送電部と受電部と間の結合係数（κ）は１．０に近いものとなっている。

本実施の形態の電力伝送における送電部２８と受電部２７との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電磁界（電磁場）共振結合」または「電界（電場）共振結合」という。

「電磁界（電磁場）共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電界（電場）共振結合」のいずれも含む結合を意味する。

本明細書中で説明した送電部２８の共鳴コイル２４と受電部２７の共鳴コイル１１とは、コイル形状のアンテナが採用されているため、送電部２８と受電部２７とは主に、磁界によって結合しており、送電部２８と受電部２７とは、「磁気共鳴結合」または「磁界（磁場）共鳴結合」している。

（本実施の形態におけるシールド部材の構成）
図６および図７を参照して、本実施の形態におけるシールド部材の構成について説明する。図６は、電力伝送システムの構成を示す模式図、図７は、図６中ＶＩＩ線矢視断面図である。

送電装置４１として、共鳴コイル２４および電磁誘導コイル２３とを有している。電磁誘導コイル２３には、電源Ｐが接続されている。共鳴コイル２４は、シールド部材としての筒状体２４０内に収容されている。この筒状体２４０は、共鳴コイル２４の形状に沿って環状の形態を有し、端部２４０Ｅ１および端部２４０Ｅ２を有する。

端部２４０Ｅ１と端部２４０Ｅ２とは、対向するように配置され、所定の間隙Ｃを有している。この間隙Ｃを設けることで、筒状体２４０は電気的に切断される。これにより、筒状体２４０に環状に電流が流れない。なお、この間隙Ｃは１箇所に限られず、２箇所以上設けることも可能である。共鳴コイル２４は、筒状体２４０内部に、図示していない樹脂製の支持部材等を用いて、筒状体２４０に接することなく収容されている。なお、間隙Ｃは、一箇所だけでなく、複数箇所設けてもかまわない。

筒状体２４０には、基本的には導体から構成されるシールド材料が用いられる。たとえば、中空形状の銅等の金属材料が用いられる。また、安価な部材で中空形状の管体を構成してその内面に、銅箔、電磁波遮蔽効果を有する布やスポンジ等を貼付してもよい。

受電装置４０として、共鳴コイル１１および電磁誘導コイル１２とを有している。電磁誘導コイル１２には、負荷Ｌが接続されている。共鳴コイル１１は、シールド部材としての筒状体１１０内に収容されている。この筒状体１１０は、共鳴コイル１１の形状に沿って環状の形態を有し、端部１１０Ｅ１および１１０Ｅ２を有する。端部１１０Ｅ１と端部１１０Ｅ２とは、対向するように配置され、所定の間隙Ｃを有している。この間隙Ｃを設けることで、筒状体１１０は電気的に切断される。これにより、筒状体１１０に環状に電流が流れない。なお、この間隙Ｃは１箇所に限られず、２箇所以上設けることも可能である。共鳴コイル１１は、筒状体１１０内部に、図示していない樹脂製の支持部材等を用いて、筒状体１１０に電気的に接することなく収容されている。

上記において、シールドとは、電磁界が到達した場合に、対象物を超えて電磁界が進行することを抑制する機能を意味し、具体的には、到達した電磁波を渦電流に変換することで、電磁波が進行することを抑制することを意味する。

電源Ｐから送電装置４１に供給される電力の、送電装置４１から受電装置４０への伝送時においては、送電装置４１側において、電磁誘導コイル２３と共鳴コイル２４との間では、電磁誘導が生じる。送電装置４１側の共鳴コイル２４と受電装置４０側の共鳴コイル１１との間では、電磁界結合が生じる。受電装置４０側において、共鳴コイル１１と電磁誘導コイル１２との間では、電磁誘導が生じる。これにより、送電装置４１から受電装置４０への電力伝送が行なわれる。

なお、電磁誘導コイル１２，２３、共鳴コイル１１，２４の形状は一例であって、必ずしも環状の形態に限定されない。

ここで、図８から図１２を参照して、本実施の形態におけるシールド部材としての筒状体１１０，２４０の作用効果について説明する。図８は、送電側電流値の時間的変化および送電側蓄積電荷の時間的変化を示す模式図、図９は、シールド部材を設けない場合と設けた場合との、電磁界発生原理を示す模式図、図１０は、シールド部材を設けない場合と設けた場合との、コイル中心からの距離と磁界との関係を示す図、図１１は、シールド部材を設けない場合と設けた場合との、コイル中心からの距離と電界との関係を示す図、図１２は、シールド部材を設けない場合と設けた場合との、周波数と伝送効率との関係を示す図である。

まず、図８を参照して、送電側に１周期Ｔ秒の交流正弦波を加えた場合の、電磁界共鳴時の電流値の時間的変化は、（Ａ）「送電側電流値の時間変化」（上段）に示すように、（ｉ）時間「Ｔ／４」×１の時は「電流ゼロ」、（ｉｉ）時間「Ｔ／４」×２の時は「電流Ｉ（時計回転方向）」、（ｉｉｉ）時間「Ｔ／４」×３の時は「電流ゼロ」、（ｉｖ）時間「Ｔ／４」×４の時は「電流Ｉ（反時計回転方向）」となる。このように、「電流ゼロ」状態と「電流Ｉ」状態とが、周期Ｔ／４で交互に変化する。このとき、送電装置側の「磁界」の発生は、（ｉｉ）時間「Ｔ／４」×２および（ｉｖ）時間「Ｔ／４」×４の際に最大となる。

一方、送電側に１周期Ｔ秒の交流正弦波を加えた場合の、電磁界共鳴時の蓄積電荷の時間的変化は、（Ｂ）「送電側蓄積電荷の時間変化」（下段）に示すように、（ｉ）時間「Ｔ／４」×１の時は、共鳴コイル２４の図示における上側に正電荷、下側に負電荷が蓄積され、（ｉｉ）時間「Ｔ／４」×２の時は、電荷はゼロとなり、（ｉｉｉ）時間「Ｔ／４」×３の時は、共鳴コイル２４の図示における上側に負電荷、下側に正電荷が蓄積され、（ｉｖ）時間「Ｔ／４」×４の時は、電荷はゼロとなる。このように、「電荷蓄積」状態と、「電荷ゼロ」とが、周期Ｔ／４で交互に変化する。このとき、送電装置側の「電界」の発生は、（ｉ）時間「Ｔ／４」×１および（ｉｉｉ）時間「Ｔ／４」×３の際に最大となる。

つまり、（ｉ）時間「Ｔ／４」×１の時は「電界最大」、（ｉｉ）時間「Ｔ／４」×２の時は「磁界最大」、（ｉｉｉ）時間「Ｔ／４」×３の時は「電界最大」、（ｉｖ）時間「Ｔ／４」×４の時は「磁界最大」となる。

このように、「電界最大」と「磁界最大」とが交互に表れ、電界のエネルギと磁界のエネルギとが、交互に共鳴コイル２４に蓄積されることになる。

次に、図９を参照して、本実施の形態におけるシールド部材を設けない場合と比較して、本実施の形態におけるシールド部材を設けた場合の、電磁界発生原理について説明する。図８で示したように、電界のエネルギと磁界のエネルギとが、交互に共鳴コイル２４に蓄積される結果、図９の上段に示すように、共鳴コイル２４には、時間「Ｔ／４」の周期で、電界Ｅと磁界Ｈとが交互に発生する。

この共鳴コイル２４を本実施の形態のシールド部材である筒状体２４０の内部に収容した場合には、電界は導体からなる筒状体２４０の内部に閉じ込められ、筒状体２４０の外部への放射が著しく低下させられる。

一方、磁界Ｈは、共鳴コイル２４のコイル線の周りに発生する。筒状体２４０は、完全な環状ではなく、端部２４０Ｅ１と端部２４０Ｅ２とが対向するように間隙Ｃが設けられていることから、共鳴コイル２４に発生する電流を打ち消すような電流が筒状体２４０に流れることはない。

その結果、図９の下段に示すように、電界は筒状体２４０により閉じ込められ、磁界は、筒状体２４０の影響を受けることなく筒状体２４０の外部に放射されることになる。

図１０および図１１を参照して、筒状体２４０を設けた場合の磁界と電界との変化について説明する。図１０に示すように、筒状体２４０を設けた場合であっても、磁界は僅かに低下する程度である。一方、図１１に示すように、筒状体２４０を設けた場合には、電界は大幅に低下していることが分かる。

上記においては、送電装置４１側の共鳴コイル２４に筒状体２４０を設けた場合の作用効果について述べているが、受電装置４０側の共鳴コイル１１に筒状体１１０を設けた場合も同様である。

図１２を参照して、送電装置４１側の共鳴コイル２４に筒状体２４０を設け、受電装置４０側の共鳴コイル１１に筒状体１１０を設けた場合の伝送効率について説明する。図に示すように、筒状体１１０，２４０の有無の影響を大きく受けることなく、各共鳴コイルに筒状体を設けた場合であっても、高い伝送効率を維持することを可能としている。

なお、送電装置４１側の共鳴コイル２４、または、受電装置４０側の共鳴コイル１１のいずれか一方に対して筒状体を設ける場合であっても、伝送効率を維持した状態で、電界成分の低減を図ることは可能である。

このように、本実施の形態においては、共鳴コイルをシールド部材である筒状体の内部に収容する構造を採用することで、非接触で電力伝送を行なう場合に、電磁界を構成する電界成分と磁界成分のうち、電界成分を低減することを可能とする。

なお、上記実施の形態における筒状体は、共鳴コイルを挟んで対向する位置にシールド部材を配置する構成一例を示すものであり、対向して配置されたシールド部材が連続した結果、円筒形状になったものである。

また、上記実施の形態においては、送電装置４１側の電磁誘導コイル２３に電源Ｐが接続され、受電装置４０側の電磁誘導コイル１２に負荷Ｌが接続された場合について説明しているが、この構成に限定されるものではない。図１３に示すように、送電装置４１側の共鳴コイル２４に電源Ｐが接続され、受電装置４０側の共鳴コイルに負荷Ｌが接続される場合でもかまわない。

この場合、共鳴コイル２４への電源Ｐの接続には、筒状体２４０に開口部２４０Ｈを設け、この開口部２４０Ｈを規定する筒状体２４０に接しないように配線を行なう。同様に、共鳴コイル１１への負荷Ｌの接続には、筒状体１１０に開口部１１０Ｈを設け、この開口部１１０Ｈを規定する筒状体１１０に接しないように配線を行なう。

図１４に示すように、本発明は、共鳴コイルを挟んで対向する位置にシールド部材が配置されている点に特徴があり、送電装置４１への電源Ｐの接続形態、および、受電装置４０への負荷Ｌの接続形態は、どのような形態であってもかまわない。以下に示す他の形態のシールド部材を採用する場合も同様である。

（他の実施の形態）
図１５に、他の実施の形態として、送電装置４１および受電装置４０に用いる筒状体として、導電性を有する編目状部材を用いて形成した筒状体１１０Ａ，２４０Ａについて説明する。非接触の電力伝送において伝送電力が大きくなると、電磁誘導コイル１２，２３および共鳴コイル１１，２４に流れる電流値は大きくなる。

電磁誘導コイル１２，２３および共鳴コイル１１，２４は、抵抗特性を有することから、電磁誘導コイル１２，２３および共鳴コイル１１，２４は、発熱する。上記実施の形態で示したように、各コイルを筒状体の内部に収容した場合には、熱が筒状の内部に蓄積されてしまう。

そこで、図１５に示すように、筒状体１１０Ａ，２４０Ａに、複数の孔１１０Ｃ，２４０Ｃを有する編目状部材を用いることにより、筒状体１１０Ａ，２４０Ａの内部で発生した熱を筒状体１１０Ａ，２４０Ａの外部に放出することができる。また、筒状体１１０Ａ，２４０Ａに編目状部材を用いることにより、送電装置４１および受電装置４０の軽量にすることができる。編目状部材に用いる材料は、上記実施の形態における筒状体１１０，２４０と同様の材料を用いるとよい。

図１６および図１７に、さらに他の実施の形態として、送電装置４１に用いる共鳴コイル組体２４Ａ、および受電装置４０に用いる共鳴コイル組体１１Ａについて説明する。図１６に示すように、共鳴コイル組体１１Ａおよび共鳴コイル組体２４Ａは、円盤状の形態を有している。

図１７に、共鳴コイル組体１１Ａおよび共鳴コイル組体２４Ａの具体的構成を示す。なお、共鳴コイル組体１１Ａおよび共鳴コイル組体２４Ａは、同一の構造を有することから、共鳴コイル組体２４Ａの構造について説明する。なお、図１７において括弧内の数字は、共鳴コイル組体１１Ａの場合を示す。

共鳴コイル２４が樹脂製の第１絶縁基板２４０ａ上に配置されている。図示において、第１絶縁基板２４０ａの上に、樹脂製の第２絶縁基板２４０ｂが位置し、この第２絶縁基板２４０ｂの上に第１シールド部材２４０Ｘが配置されている。図示において、第１絶縁基板２４０ａの下に、樹脂製の第３絶縁基板２４０ｃが位置し、この第３絶縁基板２４０ｃの上に第２シールド部材２４０Ｙが配置されている。

第１シールド部材２４０Ｘおよび第２シールド部材２４０Ｙは、共鳴コイル２４を上下から挟み込むことができるように、所定の幅を有する環状の形状を有するメタル層から形成されている。

第１絶縁基板２４０ａを第２絶縁基板２４０ｂと第３絶縁基板２４０ｃとにより挟み込み、第１絶縁基板２４０ａ、第２絶縁基板２４０ｂ、および第３絶縁基板２４０ｃを接着剤等を用いて固着する。これにより、共鳴コイル２４が第１シールド部材２４０Ｘと第２シールド部材２４０Ｙとにより挟みこまれた状態が維持される。

このように、樹脂製の絶縁基板を用いることで、容易に共鳴コイル２４を挟んで対向する位置に第１シールド部材２４０Ｘおよび第２シールド部材２４０Ｙを配置することが可能となる。この構成を用いることによっても、非接触で電力伝送を行なう場合に、電磁界を構成する電界成分と磁界成分のうち、電界成分を低減することが可能となる。

なお、図１７に示す絶縁基板を用いる構成に限らず、図１８に示すように、絶縁基板に代わる絶縁部材として絶縁紙を用いることができる。

共鳴コイル２４が紙製の第１絶縁紙２４１上に配置されている。図示において、第１絶縁紙２４１の上に、紙製の第２絶縁紙２４２が位置し、この第２絶縁紙２４２の上に第１シールド部材２４０Ｘが配置されている。図示において、第１絶縁紙２４１の下に、紙製の第３絶縁紙２４３が位置し、この第３絶縁紙２４３の上に第２シールド部材２４０Ｙが配置されている。

第１シールド部材２４０Ｘおよび第２シールド部材２４０Ｙは、共鳴コイル２４を上下から挟み込むことができるように、所定の幅を有する環状の形状を有するメタル層から形成されている。

第１絶縁紙２４１を第２絶縁紙２４２と第３絶縁紙２４３とにより挟み込み、第１絶縁紙２４１、第２絶縁紙２４２、および第３絶縁紙２４３を接着剤等を用いて固着する。これにより、共鳴コイル２４が第１シールド部材２４０Ｘと第２シールド部材２４０Ｙとにより挟みこまれた状態が維持される。

このように、紙製の絶縁紙を用いることで、容易に共鳴コイル２４を挟んで対向する位置に第１シールド部材２４０Ｘおよび第２シールド部材２４０Ｙを配置することが可能となる。この構成を用いることによっても、非接触で電力伝送を行なう場合に、電磁界を構成する電界成分と磁界成分のうち、電界成分を低減することが可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 電動車両、１１，２４，９４，９９ 共鳴コイル、１１Ａ，２４Ａ 共鳴コイル組体、１２，２３，９２，９７ 電磁誘導コイル、１３ 整流器、１４ コンバータ、１５ バッテリ、１６ パワーコントロールユニット、１７ モータユニット、１９，２５，９５，９８ キャパシタ、２０ 外部給電装置、２１ 交流電源、２２ 高周波電力ドライバ、２６ 制御部、２７，９６ 受電部、２８，９３ 送電部、４０，９１ 受電装置、４１，９０ 送電装置、４２ 駐車スペース、８９ 電力伝送システム、１１０，２４０，１１０Ａ，２４０Ａ 筒状体、１１０Ｃ，２４０Ｃ 孔、１１０Ｅ２，１１０Ｅ１，２４０Ｅ２，２４０Ｅ１ 端部、１１０Ｈ，２４０Ｈ 開口部、２４０Ｘ 第１シールド部材、２４０Ｙ 第２シールド部材、２４０ａ（１１０ａ） 第１絶縁基板、２４０ｂ（１１０ｂ） 第２絶縁基板、２４０ｃ（１１０ｃ） 第３絶縁基板、２４１（１１１） 第１絶縁紙、２４２（１１２） 第２絶縁紙、２４３（１１３） 第３絶縁紙。

Claims (14)

1. 受電部に非接触で電力を送電する送電部を備える送電装置であって、
   前記送電部は、
   閉環状の形態のコイルと、
   前記コイルを内部に収容し、両端部を有することにより電気的に切断された筒状体のシールド部材と、
   を備える、送電装置。
2. 前記筒状体は、外部と前記コイルが収容される内部とを連通する孔を有する、請求項１に記載の送電装置。
3. 前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数の１０％以下である、請求項１に記載の送電装置。
4. 前記受電部と前記送電部との結合係数は、０．１以下である、請求項１に記載の送電装置。
5. 前記送電部は、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界を通じて、前記受電部に電力を送電する、請求項１に記載の送電装置。
6. 送電部を含む送電装置と、前記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、
   前記送電部は、
   閉環状の形態のコイルと、
   前記コイルを内部に収容し、両端部を有することにより電気的に切断された筒状体のシールド部材と、
   を備える、電力伝送システム。
7. 前記筒状体は、外部と前記コイルが収容される内部とを連通する孔を有する、請求項６に記載の電力伝送システム。
8. 送電部から非接触で電力を受電する受電部を備える受電装置であって、
   前記受電部は、
   閉環状の形態のコイルと、
   前記コイルを内部に収容し、両端部を有することにより電気的に切断された筒状体のシールド部材と、
   を備える、受電装置。
9. 前記筒状体は、外部と前記コイルが収容される内部とを連通する孔を有する、請求項８に記載の受電装置。
10. 前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数の１０％以下である、請求項８に記載の受電装置。
11. 前記受電部と前記送電部との結合係数は、０．１以下である、請求項８に記載の受電装置。
12. 前記送電部は、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界を通じて、前記受電部に電力を送電する、請求項８に記載の受電装置。
13. 送電部を含む送電装置と、前記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、
    前記受電部は、
    閉環状の形態のコイルと、
    前記コイルを内部に収容し、両端部を有することにより電気的に切断された筒状体のシールド部材と、
    を備える、電力伝送システム。
14. 前記筒状体は、外部と前記コイルが収容される内部とを連通する孔を有する、請求項１３に記載の電力伝送システム。

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