JP5927826B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触給電装置に関する。

交流電源で駆動される一次巻線に直列コンデンサを接続し、二次巻線に並列コンデンサを接続し、それぞれのコンデンサの値を下記の特許文献１で開示された数式に基づき設定することで、理想トランスと略等価にする非接触給電装置が知られている（特許文献１）。

特許４６４４８２７号

しかしながら、従来の非接触給電装置において、一次巻線と二次巻線との間の結合係数が一定であることを前提に高効率を実現するようコンデンサ等を設定しているため、当該結合係数が変化する場合、力率が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、結合係数が変化する場合においても、力率の低下を抑制する非接触給電装置を提供する。

本発明において、Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性は交流電源の基本波成分の周波数の付近に極小値を有し、Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性は、前記基本波成分の周波数に最も近く、極大値をとる周波数と、前記基本波成分の周波数に最も近く、極小値をとる周波数との間に前記基本波成分の周波数を有することにより、上記課題を解決する。

本発明によれば、結合係数が変動しても、交流電源の出力側から見たインピーダンスの基本波周波数（ｆ_０）に対する位相の変動幅が小さくなるため、その結果として、力率の低下を抑制することができる。

本例の非接触給電装置の電気回路図である。 図１の一次巻線及び二次巻線の平面図と斜視図である。 図１の一次巻線及び二次巻線の平面図と斜視図である。 図１の一次巻線と二次巻線との距離に対する結合係数の特性を示すグラフである。 力率を説明するための図であって、時間に対する電流特性及び電圧特性を示すグラフである。 力率を説明するための図であって、時間に対する電力特性を示すグラフである。 力率を説明するための図であって、時間に対する電力特性を示すグラフである。 力率を説明するための図であって、時間に対する電流特性及び電圧特性を示すグラフである。 図１の非接触給電部の回路図である。 図１の非接触給電部のうち１次側の回路を示す等価回路の回路図である。 図１の非接触給電部において、１次側のみのインピーダンス（Ｚ１）の絶対値特性を示す図である。 図１の非接触給電部のうち２次側の回路を示す等価回路の回路図である。 図１の非接触給電部において、２次側のみのインピーダンス（Ｚ２）の絶対値特性を示す図である。 図１の非接触給電部における周波数に対する入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の絶対値特性を示すグラフである。 図１の非接触給電部における周波数に対する入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の位相特性を示すグラフである。 図１の非接触給電装置と比較例の非接触給電装置における、結合係数κに対する力率の特性を示す。 図１の非接触給電装置と比較例の非接触給電装置における、結合係数κに対する力率の特性を示す。 図１の非接触給電装置と比較例の非接触給電装置における、結合係数κに対する出力電力の特性を示す。 図１の非接触給電装置の変形例に係る非接触給電部の回路図である。 図１の非接触給電装置の変形例に係る非接触給電部の回路図である。 図１の非接触給電装置の変形例に係る非接触給電部の回路図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の非接触給電部のインピーダンス特性であり、（ａ）は１次側のみのインピーダンス（Ｚ１）の絶対値特性を示す図であり、（ｂ）は２次側のみのインピーダンス（Ｚ２）の絶対値特性を示す図である。 比較例に係る非接触給電装置の非接触給電部のインピーダンス特性であり、（ａ）は１次側のみのインピーダンス（Ｚ１）の絶対値特性を示す図であり、（ｂ）は２次側のみのインピーダンス（Ｚ２）の絶対値特性を示す図である。 比較例に係る非接触給電装置と比較例の非接触給電装置における、結合係数κに対する力率の特性を示す。 比較例に係る非接触給電装置の非接触給電部のインピーダンス特性であり、（ａ）は１次側のみのインピーダンス（Ｚ１）の絶対値特性を示す図であり、（ｂ）は２次側のみのインピーダンス（Ｚ２）の絶対値特性を示す図である。 比較例に係る非接触給電装置と比較例の非接触給電装置における、結合係数κに対する力率の特性を示す。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の非接触給電部の等価回路を示す回路図である。 複素平面における、図２３の非接触給電部のインピーダンス特性（Ｚｉｎ）を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の非接触給電部における、２次側のみの回路のインピーダンスの絶対値特性を示す。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の非接触給電部における、２次側のみの回路のインピーダンスの絶対値特性を示す。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の非接触給電部における、結合係数に対する入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の絶対値特性を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置の非接触給電部の回路図である。 図２７の非接触給電部において、１次側のみのインピーダンス（Ｚ１）の絶対値特性を示す図である。 図２７の非接触給電部において、２次側のみのインピーダンス（Ｚ２）の絶対値特性を示す図である。 図２７の非接触給電装置の変形例に係る非接触給電部の回路図である。 図２７の非接触給電装置の変形例に係る非接触給電部の回路図である。

以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
発明の実施形態に係る非接触給電装置の一例として、電気自動車等の車両用電池及び電力負荷と共に用いられる非接触給電装置を説明する。

図１は、非接触給電装置の電気回路図を示している。本実施の形態に係る非接触給電装置は、高周波交流電源６と、高周波交流電源６から出力された電力の非接触給電を行う非接触給電部１０と、非接触給電部１０により電力が供給される負荷部７とを備えている。

高周波交流電源６は、三相交流電源６４と、三相交流電源６４に接続され、三相交流を直流に整流する整流器６１と、平滑コンデンサ６２を介して整流器６１に接続され、整流された電流を高周波電力に逆変換する電圧型インバータ６３とを備えている。整流器６１は、ダイオード６１ａとダイオード６１ｂ、ダイオード６１ｃとダイオード６１ｄ、及び、ダイオード６１ｅとダイオード６１ｆを三並列に接続し、それぞれの中間接続点に三相交流電源６４の出力を接続する。電圧型インバータ６３は、ＭＯＳＦＥＴのパワートランジスタ等にダイオードを逆並列に接続するスイッチング素子６３ａと同様のスイッチング素子６３ｂとの直列回路及び同様のスイッチング素子６３ｃとスイッチング素子６３ｄとの直列回路を並列に接続し、平滑コンデンサ６２を介して、整流器６１に接続する。そして、スイッチング素子６３ａとスイッチング素子６３ｂとの中間接続点及びスイッチング素子６３ｃとスイッチング素子６３ｄとの中間接続点が、それぞれ非接触給電部１０の一次側である送電回路部１００に接続される。電圧型インバータ６３は、非接触給電部１００に数ｋ〜１００ｋＨｚ程度の交流電力を供給する。

非接触給電部１０は、トランスの入力側である送電回路部１００と、トランスの出力側である受電回路部２００を有する。送電回路部１００は、一次巻線１０１と一次巻線１０１に直列に接続されるコンデンサ（Ｃ_１ｓ）１０２とを有し、受電回路部２００は、二次巻線２０１と、二次巻線２０１に並列に接続されるコンデンサ（Ｃ_２ｐ）２０２と、二次巻線２０１とコンデンサ２０２との並列回路に直列に接続されるコンデンサ（Ｃ_２ｓ）２０３とを有する。

負荷部７は、非接触給電部１０より供給される交流電力を直流に整流する整流部７１と、整流部７１に接続される負荷７２とを有する。整流部７１は、ダイオード７１ａとダイオード７１ｂ、及び、ダイオード７１ｃとダイオード７１ｄを並列に接続し、それぞれの中間接続点に受電回路部２００の出力を接続する。そして、整流部７１の出力を負荷７２に接続する。

次に、図２及び図３を用いて、図１に示す非接触給電装置を車両と駐車場に備える場合、一次巻線１０１と二次巻線２０１の結合係数（κ）について、説明する。

本例は、二次巻線２０１を含む受電回路部２００及び負荷部７を例えば車両に備え、一次巻線１０１を含む送電回路部１００及び高周波交流電源６を地上側として例えば駐車場に備える。電気自動車の場合、負荷７２は、例えば二次電池に対応する。二次巻線２０１は、例えば車両のシャシに備えられる。そして、当該二次巻線２０１が一次巻線１０１の上になるよう、車両の運転手が当該駐車場に駐車し、電力が一次巻線１０１から二次巻線２０１に供給され、負荷７２に含まれる二次電池が充電される。

図２ａ及び図２ｂは、一次巻線１０１及び二次巻線２０１の平面図と、斜視図を示す。図２ａ及び図２ｂにおいて、Ｘ軸及びＹ軸は、一次巻線１０１及び二次巻線２０１の平面方向を示し、Ｚ軸は、高さ方向を示す。図２ａ及び図２ｂにおいて、ａ）は、一次巻線１０１及び二次巻線２０１の平面図を、ｂ）は、二次巻線２０１の斜視図を、ｃ）は一次巻線１０１の斜視図を示す。なお、説明のために、一次巻線１０１及び二次巻線２０１は共に円形の同一形状とするが、本例は必ずしも円形にする必要はなく、また一次巻線１０１と二次巻線２０１とを同一の形状にする必要はない。

図２ａに示すように、平面方向であるＸ軸、Ｙ軸方向において、二次巻線２０１が一次巻線１０１に合致するよう、車両が駐車場に駐車されればよいが、運転者の技量により、図２ｂに示すように、一次巻線１０１と二次巻線２０１との相対的な位置が、平面方向において、ずれてしまうことがある。また、車両の高さは、車両の種類によって異なるため、一次巻線１０１と二次巻線２０１との高さは、車高によっても異なる。

図３は、図２ａ，２ｂに示すＸ軸方向（Ｙ軸方向）およびＺ軸方向の二次巻線２０１に対する、結合係数の変化を示す。図３に示すように、一次巻線１の中央と二次巻線２の中央が一致する場合、一次巻線１と二次巻線２との間の漏れ磁束は少なく、図３のＸ軸の値がゼロに相当し、結合係数κは大きくなる。一方、図２ａに対して図２ｂに示すように、一次巻線１と二次巻線２との位置がＸ軸方向にずれると、漏れ磁束が多くなり、図３に示すように、結合係数κは小さくなる。また、一次巻線１と二次巻線２のＺ軸（高さ）方向のズレが大きくなると、結合係数κは小さくなる。

ところで、電動歯ブラシやひげ剃りシェーバー等のコードレス化された家電製品や携帯機器の充電に採用されている非接触の電力供給装置等は、一次巻線１０１と二次巻線２０１との間が相対的に移動しないため、上記のように、結合係数（κ）が変動することを想定しなくてもよい。そのため、固定化されている結合係数（κ）を前提として、特定の結合係数（κ）の下、力率を高めて、受電回路部２００へ効率よく電力が供給されるよう、送電回路部１００及び受電回路部２００に含まれるコンデンサ、インダクタが回路設計される。

ここで、図１に示す非接触給電装置における力率について、図４を用いて説明する。図４ａは時間に対する電流特性及び電圧特性を示し、グラフａは電圧特性を、グラフｂはグラフａの電圧特性に対して力率を０．８５にした場合の電流特性を、グラフｃはグラフａの電圧特性に対して力率を０．５にした場合の電流特性を示す。なお、グラフｂ及びグラフｃの電流特性は、同一の振幅とし位相のみ異なる波形とする。また図４ｂは時間に対する電力特性を示し、グラフａ１は力率を０．８５にした時の瞬時電力の特性であり、図４ａのグラフａの電圧とグラフｂの電流との積をとった電力波形である。グラフａ２は力率を０．８５にした時の平均電力の特性である。グラフｂ１は力率を０．５にした時の瞬時電力の特性であり、図４ａのグラフａの電圧とグラフｃの電流との積をとった電力波形である。グラフｂ２は力率を０．５にした時の平均電力の特性を示す。

図４ｂにおいて、瞬時電力の負の部分は無効電力に相当し、負荷７２で消費されない電力になるため、負荷７２で消費される有効電力を高めるには、瞬時電力の負の部分を少なくすればよい。グラフａ１とグラフｂ１とを比較すると、力率を０．８５にした場合の無効電力は、力率を０．５にした場合の無効電力より小さい、そして、グラフａ２とグラフｂ２とを比較すると、力率を０．８５にした場合の平均電力は力率を０．５にした場合の平均電力より高くなっている。すなわち、非接触給電部１０への入力電流及び入力電圧の大きさを同じにした場合には、力率を大きくした方が、有効電力を大きくすることができる。

次に、力率と高周波交流電源６の電源サイズとの関係について、図５を用いて説明する。図５ａは時間に対する瞬時電力及び平均電力の特性を示し、グラフａ１は力率を０．８５にした場合の瞬時電力の特性を、グラフａ２は力率を０．８５にした場合の平均電力の特性を、グラフｂ１は力率を０．５にした場合の瞬時電力の特性を、グラフｂ２は力率を０．５にした場合の平均電力の特性を示す。図５ｂは時間に対する電流特性及び電圧特性を示し、グラフａは電圧特性を、グラフｂはグラフａの電圧特性に対して力率を０．８５にした場合の電流特性を、グラフｃはグラフａの電圧特性に対して力率を０．５にした場合の電流特性を示す。ただし、図５ｂにおいても、力率を０．８５にした場合の平均電力及び力率を０．５にした場合の平均電力は同一とする。

図５ｂに示すように、平均電力を同一にするためには、力率を０．５にした場合の電力を、力率を０．８５にした場合の電力よりも大きくする必要がある。そして、高周波交流電源６の電源サイズ（容量）は、電圧×電流にて算出され、力率を０．５にした場合の電流は力率を０．８５にした場合の電流より大きくなるため、力率を０．５にした場合の電源サイズの方が、力率を０．８５にした場合の電源サイズより大きくなる。ゆえに、力率を高くすることにより、電源サイズの小型化を図ることができる。

すなわち、本例は、以下に説明するように、結合係数（κ）が変動する場合でも力率の低下を抑制する接触給電装置を提供する。

図６は、本例の非接触給電装置の非接触給電部１０の回路図である。図６の左側が交流電源６４側であり入力側に相当し、図６の右側が負荷７２側であり出力側に相当する。一次巻線１０１のインダクタンスをＬ_１とし、二次巻線２０１のインダクタンスをＬ_２、コンデンサ１０２の電気容量をＣ_１ｓ、コンデンサ２０２の電気容量をＣ_２ｐ、コンデンサ２０３の電気容量をＣ_２Ｓ、とする。

本例は、一次巻線１０１と二次巻線２０１のインダクタンスの大きさと、コンデンサ１０２、２０２、２０３の容量の大きさの条件を規定し、基本波周波数（ｆ_０）を１次側のインピーダンス（Ｚ１）の共振周波数（ｆ_１）付近に設定し、基本波周波数（ｆ_０）を二次側のインピーダンス（Ｚ２）の共振周波数（ｆ_２）と共振周波数（ｆ_３）との間に、設定する。

まず、コンデンサ１０２の電気容量Ｃ_１ｓについて、図７を用いて説明する。図７は、図６の回路のうち、１次側（送信側）の回路を示し、Ｚ１は結合係数（κ）を零の値にした時の交流電源６４側からみた一次側のみのインピーダンスを示している。

図７に示すように、一次巻線１０１と二次巻線２０１との間の結合係数（κ）＝０とする。１次側の回路は、一次巻線１０１及び二次巻線２０１による共振回路を含んでおり、当該共振回路の共振周波数がｆ_１となる。また、インピーダンス（Ｚ１）特性が共振周波数（ｆ_１）で極小値をとるように回路設計されている。交流電源６４の基本波周波数（ｆ_０）は、非接触給電装置に用いる電源に応じて予め決まっている。そして、共振周波数（ｆ_１）は、一次巻線（Ｌ_１）１０１とコンデンサ（Ｃ_１ｓ）１０２との共振回路の共振周波数であり、基本波周波数（ｆ_０）の付近で設定される。そのため、これらの条件を満たす、基本波周波数（ｆ_０）と、インダクタンス（Ｌ_１）及び電気容量（Ｃ_１ｓ）との関係は、式１で表される。

次に、図７の１次側のみの回路のインピーダンス特性を図８に示す。図８は、周波数に対する、１次側の回路のインピーダンスの絶対値特性を示すグラフである。

インピーダンス（Ｚ１）の共振周波数（ｆ_１）は、インピーダンス特性の極小値を示す周波数に相当する。図８に示すように、基本波周波数（ｆ_０）が、極小値の共振周波数（ｆ_１）付近に位置づけられており、式１の条件が満たされるように、回路設計されている。これにより、非接触給電部１０において、交流電源６４側からの電力を受電するために必要な電流を低く抑えることができるため、電力効率を高めることができる。

次にコンデンサ２０２の電気容量Ｃ_２ｐ及びコンデンサ２０３の電気容量Ｃ_２ｓについて、図９を用いて説明する。図９は、図６の回路の２次側（受信側）の回路をのうち、二次巻線２０１とコンデンサ２０２との並列回路を示し、Ｚ２は結合係数（κ）を零の値にした時の負荷７２側からみた二次側のみのインピーダンスを示している。

図９に示すように、一次巻線１０１と二次巻線２０１との間の結合係数（κ）＝０とする。二次側の回路は、二次巻線２０１及びコンデンサ２０２による第１の共振回路と、二次巻線２０１、コンデンサ２０２及びコンデンサ２０３による第２の共振回路とを含んでいる。そして第１の共振回路の共振周波数をｆ_３とし、第２の共振回路の共振周波数をｆ_２とし、共振周波数（ｆ_３）は共振周波数（ｆ_２）より高い周波数である。そして、インピーダンス（Ｚ２）特性が共振周波数（ｆ_２）で極小値をとり、共振周波数（ｆ_３）で極大値をとるように回路設計されている。そして、これらの条件を満たす、基本波周波数（ｆ_０）、共振周波数（ｆ_２）及び共振周波数（ｆ_３）は式２により表される。

また、共振周波数（ｆ２）及び共振周波数（ｆ３）は、式３及び式４でそれぞれ表される。

そして、式２に、式１、式３及び式４を代入することで、式５が導かれる。

図９の２次側の回路のインピーダンスの絶対値特性を図１０に示す。図１０は、周波数に対する、２次側の回路のインピーダンス特性を示すグラフである。なお、図１０のインピーダンス特性は、Ｚ２のインピーダンスの絶対値特性である。図１０に示すように、Ｚ２のインピーダンス特性は、共振周波数（ｆ_２）で極小値をとり、共振周波数（ｆ_３）で極大値をとる。

すなわち、本例は、インピーダンス（Ｚ２）の絶対値の特性が共振周波数（ｆ_２）で極小値をとり、共振周波数（ｆ_３）で極大値をとり、かつ、式５を満たす条件下で、回路設計されている。

上記のように回路設計された本例の入力インピーダンスの絶対値特性及び位相特性を、図１１を用いて説明する。図１１ａは非接触給電部１０における周波数に対する入力インピーダンス（Ｚｉｎ）特性を示し、図１１ｂは、周波数に対する位相（ψ）特性を示す。なお、入力インピーダンスは、所定の結合係数（κ）における、交流電源６４側からみた非接触給電部１０のインピーダンスである。図１１ａ及び図１１ｂのグラフａは結合係数をκ１とした場合の特性を、グラフｂは結合係数をκ２とした場合の特性を、グラフｃは結合係数をκ１とした場合の特性を示す。ただし、κ１の値が一番大きく、κ２の値が二番目に大きく、κ３の値が一番小さい。

図１１ａに示すように、結合係数（κ）が変動しても、入力インピーダンス（Ｚｉｎ）は基本波周波数で最大値をとるため、基本波周波数における入力インピーダンスを大きくすることができる。また図１１ｂに示すように、結合係数（κ）が変動しても、位相特性（ψ）は基本波周波数で０度付近となる。そのため結合係数（κ）が変動しても、力率を１付近で維持させることができる。

上記のように、本例において、Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性は交流電源６４の基本波成分の周波数（ｆ_０）付近に極小値を有し、Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性は、周波数（ｆ_０）に最も近く、極大値をとる周波数（ｆ_３）と、周波数（ｆ_０）に最も近く、極小値をとる周波数（ｆ_２）との間に周波数（ｆ_０）を有する。これにより、結合係数（κ）が変動した場合でも、基本波周波数（ｆ_０）に対する入力インピーダンスの位相の変動が抑制されるため、力率の低下を抑制することができ、その結果として、高周波交流電源６の電源サイズを小型化することができる。

以下、上記のインピーダンスの絶対値特性及び位相特性により本例の非接触給電装置が、従来の非接触給電装置に比べて、力率及び非接触給電部１０の出力電力が大きい点を、図１２〜１４を用いて説明する。

図１２は本例の非接触給電装置と従来の非接触給電装置における、結合係数κに対する力率の特性を示す。グラフａは本例の特性を示すグラフであり、グラフｂは従来の特性を示すグラフである。なお図１２の従来の非接触給電装置（比較例１）は、非接触給電部の回路部分を、一次巻線に並列コンデンサを接続し、二次巻線に並列コンデンサを接続した回路とする。力率は、非接触給電部１０の出力側から見た力率である。

比較例１では、結合係数の変動に対して、力率が低下している。一方、本例では、結合係数が変動しても、力率は１付近で変動しない。これにより、本例は、結合係数（κ）が変動しても、力率を１付近で維持させることができるため、無効電力を抑制することができ、その結果として、高周波交流電源６の電源サイズ、言い換えると、電圧型インバータ６３の容量を抑制することができる。

図１３は本例の非接触給電装置と従来の非接触給電装置における、結合係数κに対する力率の特性を示す。図１４は本例の非接触給電装置と従来の非接触給電装置における、結合係数κに対する出力電力の特性を示す。グラフａは本例の特性を示すグラフであり、グラフｂは従来の特性を示すグラフである。なお図１３及び図１４の従来の非接触給電装置（比較例２）は、非接触給電部の回路部分を、一次巻線に直列コンデンサを接続し、二次巻線に直列コンデンサを接続した回路とする。

図１３に示すように、本例及び比較例２では、結合係数の変動に対して、力率は１付近で変動しない。しかし、図１４に示すように、比較例では、入力インピーダンスの大きさが小さいため、図１に示すような電圧型インバータで駆動させた場合に、非接触給電部の出力電力が小さくなる。すなわち、比較例２では、力率を高くしても、十分な出力電力をとることができない場合がある。一方、本例では、入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の大きさが大きいため、結合係数の変動に対して、非接触給電部１０の出力電力が大きくなり、力率も高い状態で維持させることができる。

なお、本例において、非接触給電部１０の回路は必ずしも図１に示す回路にする必要はなく、上記の条件、すなわち、Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性が高周波交流電源６の基本波成分の周波数（ｆ_０）付近に極小値を有し、Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性が、周波数（ｆ_０）に最も近く、極大値をとる周波数（ｆ_３）と、周波数（ｆ_０）に最も近く、極小値をとる周波数（ｆ_２）との間に周波数（ｆ_０）を有する、条件を満たす限り、例えば図１５〜１７に示す回路であってもよい。図１５〜１７は、本発明の変形例に係る非接触給電装置の非接触給電部１０の回路図である。

図１５に示すように、本例の変形例に係る非接触給電部１０は、コンデンサ１０２を一次巻線１０１に直列接続し、コンデンサ２０４を二次巻線２０１に直列接続し、コンデンサ２０５を二次巻線２０１とコンデンサ２０４との直列回路に並列接続する。また、図１６に示すように、本例の変形例に係る非接触給電部１０は、コンデンサ１０２を一次巻線１０１に直列接続し、コンデンサ２０４を二次巻線２０１に直列接続し、コイル２０６を二次巻線２０１とコンデンサ２０４との直列回路に並列接続する。また、図１７に示すように、本例の変形例に係る非接触給電部１０は、コンデンサ１０２を一次巻線１０１に直列接続し、コンデンサ２０４及びコンデンサ２０７の直列回路を二次巻線２０１に直列接続し、コンデンサ２０５を二次巻線２０１とコンデンサ２０４との直列回路に並列接続し、コンデンサ２０４とコンデンサ２０６との接続点に接続する。

なお本例において、非接触給電部１０の２次側の回路部が複数の共振回路を含み、インピーダンス（Ｚ２）の特性が複数の極小値を含む場合には、基本波周波数（ｆ_０）に最も近く、極小値ととる周波数をｆ_２とする。同様に、インピーダンス（Ｚ２）の特性が複数の極大値を含む場合には、基本波周波数（ｆ_０）に最も近く、極大値ととる周波数をｆ_３とする。すなわち、インピーダンス（Ｚ２）の特性は、周波数（ｆ_０）に最も近く極大値をとる周波数（ｆ_３）と、周波数（ｆ_０）に最も近く極小値をとる周波数（ｆ_２）との間に、周波数（ｆ_０）を有する。

《第２実施形態》
図１８（ａ）は発明の他の実施例に係る非接触給電装置の非接触給電部のインピーダンス（Ｚ１）の絶対値特性を示し、図１８（ｂ）はインピーダンス（Ｚ２）の絶対値特性を示す。本例は、第１実施形態に対して、共振周波数（ｆ_２）を共振周波数（ｆ_１）の半値幅の範囲内に設定している点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を適宜、援用する。

図１８（ａ）に示すように、交流電源６４の基本波周波数（ｆ_０）は、インピーダンス（Ｚ１）の最小値をとる共振周波数（ｆ_１）の付近に設定されている。Δｆは、周波数（ｆ_１）の半値幅を示している。周波数（ｆ_１）のインピーダンスの絶対値をＺ１（ｆ_１）とし、Ｚ１（ｆ_１）／２を満たす周波数を、ｆ_１ａ、ｆ_１ｂとすると、半値幅（Δｆ）は、ｆ_１ｂ−ｆ_１ａで算出される。そして、半値幅（Δｆ）は一次巻線１０１のインダクタンス（Ｌ_１）と一次巻線１０１の巻線抵抗（ｒ）とを用いて、以下の式６で表される。

図１８（ｂ）に示すように、インピーダンス（Ｚ２）の最小値をとる共振周波数（ｆ_２）は、共振周波数（ｆ_１）を中心とする半値幅（Δｆ）の範囲内に設定されている。また共振周波数（ｆ_２）はインピーダンス（Ｚ２）の最大値をとる共振周波数（ｆ_３）より低い周波数である。

次に、コンデンサ１０２の電気容量Ｃ_１ｓ、コンデンサ２０２の電気容量Ｃ_２ｐ及びコンデンサ２０３の電気容量Ｃ_２ｓについて、説明する。コンデンサ１０２の電気容量Ｃ_１ｓは、共振周波数（ｆ_１）と基本波周波数（ｆ_０）との関係から、上記の式１で表される。

基本波周波数（ｆ_０）は共振周波数（ｆ_３）より低い周波数であり、共振周波数（ｆ_３）は二次巻線（Ｌ_２）２０１とコンデンサ（Ｃ_２ｐ）との共振回路の周波数であるため、コンデンサ２０２の電気容量Ｃ_２ｐは、以下の式７で表される。

そして、共振周波数（ｆ_２）は、共振周波数（ｆ_１）の半値幅（Δｆ）の範囲内に設定されるため、ｆ_２＝ｆ_１とする。共振周波数（ｆ_２）は二次巻線（Ｌ_２）２０１、コンデンサ（Ｃ_２ｐ）及びコンデンサ（Ｃ_２ｓ）との共振回路の周波数であるため、コンデンサ２０１の電気容量Ｃ_２ｓは、以下の式８で表される。

すなわち、本例では、式６〜式８を満たすように、コンデンサ１０２の電気容量Ｃ_１ｓ、コンデンサ２０１の電気容量Ｃ_２ｓ及びコンデンサ２０１の電気容量Ｃ_２ｓが設定されている。これにより、本例は、結合係数（κ）が変動しても、入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の基本波周波数（ｆ_０）における位相を零付近にすることができる。その結果、結合係数（κ）の変動に対して、力率を１付近に維持させることができ、高周波交流電源６のサイズを小型化することができ、電圧型インバータの容量を抑制することができる。

上記のように、本例において、Ｚ２の極小値をとる周波数（ｆ_２）は、Ｚ１の極小値をとる周波数（ｆ_１）の半値幅の範囲内に設定されている。これにより、結合係数（κ）が変動した場合でも、基本波周波数（ｆ_０）に対する入力インピーダンスの位相の変動が抑制されるため、力率の低下を抑制することができ、その結果として、高周波交流電源６の電源サイズを小型化することができる。

また本例において、コンデンサ１０２の電気容量（Ｃ_１ｓ）、一次巻線１０１のインダクタンス（Ｌ_１）、基本波周波数（ｆ_０）、コンデンサ２０２の電気容量（Ｃ_２ｐ）、コンデンサ２０３の電気容量（Ｃ_２ｓ）、及び、二次巻線２０１のインダクタンス（Ｌ_２）は、以下の式９及び式１０に示す条件を満たす。

これにより、結合係数（κ）が変動した場合でも、基本波周波数（ｆ_０）に対する入力インピーダンスの位相の変動が抑制されるため、力率の低下を抑制することができ、その結果として、高周波交流電源６の電源サイズを小型化することができる。なお式９は式１同様の式であり、式１０は式７及び式８により導出される。

以下、上記のインピーダンスの絶対値特性及び位相特性により本例の非接触給電装置が、従来の非接触給電装置に比べて、力率が大きい点を、図１９〜２２を用いて説明する。

図１９（ａ）は、本例とは異なる比較例３に係る非接触給電装置の非接触給電部のインピーダンス（Ｚ１）の絶対値特性を示し、図１９（ｂ）はインピーダンス（Ｚ２）の絶対値特性を示す。比較例３は、本例に対して、共振周波数（ｆ_２）を共振周波数（ｆ_１）の半値幅の範囲外に設定し、共振周波数（ｆ_３）を共振周波数（ｆ_１）の半値幅の範囲内に設定している点が異なる。

図２０は、図１９に示す特性をもつ非接触給電部１０における、結合係数（κ）に対する力率の特性を示すグラフである。図２０に示すように、比較例３では、結合係数（κ）の変動により、力率が低下している。

図２１（ａ）は、本例とは異なる比較例４に係る非接触給電装置の非接触給電部のインピーダンス（Ｚ１）の絶対値特性を示し、図２１（ｂ）はインピーダンス（Ｚ２）の絶対値特性を示す。比較例４は、本例に対して、共振周波数（ｆ_２）及び共振周波数（ｆ_３）を共振周波数（ｆ_１）の半値幅の範囲外に設定している点が異なる。

図２２は、図２１に示す特性をもつ非接触給電部１０における、結合係数（κ）に対する力率の特性を示すグラフである。図２２に示すように、比較例４では、結合係数（κ）の変動により、力率が低下している。

すなわち、比較例３及び比較例４のように、共振周波数（ｆ_２）を共振周波数（ｆ_１）の半値幅の範囲外に設定した場合には、結合係数（κ）の変動により、力率が低下するが、本例では、共振周波数（ｆ_２）を共振周波数（ｆ_１）の半値幅の範囲内に設定しているため、結合係数（κ）の変動に対して、力率の低下を抑制することができる。

なお、上記のコンデンサ１０２が本発明の「第１のコンデンサ」に相当し、コンデンサ２０２が「第２のコンデンサ」に、コンデンサ２０３が「第３のコンデンサ」に相当する。

《第３実施形態》
図２３は、発明の他の実施例に係る非接触給電装置の非接触給電部の等価回路を示す回路図である。本例は、第１実施形態に対して、入力インピーダンス（Ｚ_ｉｎ）の零点の特性により、非接触給電部１０の回路構成を規定している点が異なる。これ以外の構成は、上述した第１実施形態と同じであり、第１実施形態又は第２実施形態の記載を適宜、援用する。

図２３に示すように、非接触給電部１０の出力側には、負荷部７の等価負荷抵抗として抵抗（Ｒ）が接続されている。そして、図３２に示す回路に基づき、高周波交流電源６の出力側から見たインピーダンス特性（Ｚ_ｉｎ）をラプラス変換し、式１１に示す。

ただし、式１１のＭは相互インダクタンスであり、式１２で示される。

インピーダンス特性（Ｚ_ｉｎ）を回路特性に影響が大きい虚軸に近い根を用いた代表根近似を行うと、インピーダンス特性（Ｚ_ｉｎ）は式１３で近似される。

ただし、代表根の極をλ、零点をγとする。

図２４は、インピーダンス特性（Ｚ_ｉｎ）の極軌跡を複素平面上で示した図である。図２４は、式１１の極うち、回路特性に影響が大きい代表特性根、すなわち、虚軸側に最も近い極及び零点１と、二番目に近い零点２を示す。なお、駆動点は、高周波交流電源の基本波周波数（ｆ_０）である。

一次巻線１０１と二次巻線２０１との結合係数κを０付近（図２４の「小」に相当）から増加させると、零点１及び零点２は、図２４に示すような、軌跡を描く。結合係数の増加に伴い、零点１は虚軸に近づくように動き、零点２は虚軸から遠ざかるように動く。言い換えると、から、零点１及び零点２は、結合係数の増加に伴い、零点１と零点２とを結んだ線の中点を中心に、互いに離れていき、当該中点に対して対称的な軌跡をとる。すなわち、零点１及び零点２は、結合係数（κ）の変化に伴い、互いに逆向きの軌跡をとる。また極は結合係数（κ）の変化に対して、ほとんど動かない。

上記のように、本例において、図２３に示す回路のインピーダンス特性（Ｚｉｎ）を複素平面で示した場合に、虚軸に最も近い第１の零点（図２４の零点１に相当）及び虚軸に二番目に近い第２の零点（図２４の零点２に相当）は、結合係数（κ）の変化に伴い、互いに逆向きの軌跡をとる。これにより、結合係数（κ）が変動した場合でも、基本波周波数（ｆ_０）に対する入力インピーダンスの位相の変動が抑制されるため、力率の低下を抑制することができ、その結果として、高周波交流電源６の電源サイズを小型化することができる。

《第４実施形態》
図２５は発明の他の実施例に係る非接触給電装置の非接触給電部における、２次側のみの回路のインピーダンス特性の絶対値特性を示す。本例は、第１実施形態に対して、共振周波数（ｆ_２）と共振周波数（ｆ_３）との間の帯域に応じて、入力インピーダンス（Ｚ_ｉｎ）の絶対値を設定する点が異なる。これ以外の構成は、上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第３実施形態の記載を適宜、援用する。

図２５ａ及び図２５ｂは、共に、Ｚ２のインピーダンスの絶対値特性を示すが、図２５ａに示す共振周波数（ｆ_２）と共振周波数（ｆ_３）との間の周波数帯域（Ｆ１）は、図２５ｂに示す共振周波数（ｆ_２）と共振周波数（ｆ_３）との間の周波数帯域（Ｆ２）より狭い帯域幅になっている。なお、Ｆ１、Ｆ２は、ｆ_２とｆ_３との差の絶対値で表される。

図２６は、結合係数（κ）に対する入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の絶対値の特性を示す。グラフａは周波数帯域をＦ１にした場合の入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の絶対値特性を示し、グラフｂは周波数帯域をＦ２にした場合の入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の絶対値特性を示す。図２６に示すように、共振周波数（ｆ_２）と共振周波数（ｆ_３）との間の周波数帯域が狭くなるほど、入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の絶対値が大きくなる。すなわち、本例は、共振周波数（ｆ_２）と共振周波数（ｆ_３）との間の周波数帯域の広さを設定することで、入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の絶対値を自由に設計することができる。

上記のように、本例において、高周波交流電源６の出力側からみたインピーダンス（Ｚｉｎ）の値は、インピーダンス（Ｚ２）の極小値をとる周波数（ｆ_２）とインピーダンス（Ｚ２）の極大値をとる周波数（ｆ_３）との間の周波数帯域に応じて設定されている。これにより、当該周波数帯域を調整することで、入力インピーダンス（Ｚｉｎ）の値を大きくすることができるため、高周波交流電源６の供給可能な電力を効率よく負荷側に供給することができる。その結果として、高周波交流電源６の電源サイズを小型化することができる。

《第５実施形態》
図２７は発明の他の実施例に係る非接触給電装置の非接触給電部の回路図である。本例は、第１実施形態に対して、非接触給電部１０の回路構成が異なる。これ以外の構成は、上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第４実施形態の記載を適宜、援用する。

図２７に示すように、コンデンサ１０３は一次巻線１０１と並列に接続され、コンデンサ１０４は一次巻線１０１とコンデンサ１０３との並列回路と直列に接続されている。コンデンサ２０８は二次巻線２０１と直列に接続されている。

図２７の回路の１次側のみの回路のインピーダンス特性を図２８に示す。図２８は周波数に対する、１次側の回路のインピーダンス（Ｚ１）の絶対値特性を示すグラフである。

図２８に示すように、Ｚ１のインピーダンス特性は、共振周波数（ｆ_２）で極小値をとり、共振周波数（ｆ_３）で極大値をとる。共振周波数（ｆ_２）は、一次巻線１０１、コンデンサ１０３及びコンデンサ１０４で構成される共振回路の共振周波数であり、共振周波数（ｆ_３）は、一次巻線１０１及びコンデンサ１０３で構成される共振回路の共振周波数である。そして、本例において、Ｚ１のインピーダンス特性は、共振周波数（ｆ_２）と共振周波数（ｆ_３）との間に、高周波交流電源６の基本波周波数（ｆ_０）を有する。

図２７の回路の２次側のみの回路のインピーダンス特性を図２９に示す。図２９は周波数に対する、２次側の回路のインピーダンス（Ｚ２）の絶対値特性を示すグラフである。

図２９に示すように、Ｚ２のインピーダンス特性は、共振周波数（ｆ_１）で極小値をとる。共振周波数（ｆ_１）は二次巻線２０１とコンデンサ２０６とで構成される共振回路の共振周波数である。そして、本例において、Ｚ２のインピーダンス特性は、基本波周波数（ｆ_０）の付近に、共振周波数（ｆ_１）に対する極小値を有する。

上記のように、本例において、Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性は、周波数（ｆ_０）に最も近く、極大値をとる周波数（ｆ_３）と、周波数（ｆ_０）に最も近く、極小値をとる周波数（ｆ_２）との間に周波数（ｆ_０）を有し、Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性は交流電源６４の基本波成分の周波数（ｆ_０）付近に極小値を有する。これにより、結合係数（κ）が変動した場合でも、基本波周波数（ｆ_０）に対する入力インピーダンスの位相の変動が抑制されるため、力率の低下を抑制することができ、その結果として、高周波交流電源６の電源サイズを小型化することができる。

なお、本例において、図２７に示す回路は、図６に示す回路の１次側の一次巻線１０１以外の回路構成と、２次側の二次巻線２０１以外の回路構成とを反転させた回路に相当する。そのため、第２の実施形態で示した、Ｚ２の共振周波数（ｆ_２）をＺ１の共振周波数（ｆ_１）の半値幅の範囲内に設定した条件を、１次側と２次側とで反転させてもよい。すなわち、本例は、図２７に示す回路において、Ｚ１の極小値をとる周波数（ｆ_２）を、Ｚ２の極小値をとる周波数の半値幅の範囲内に設定する。これにより、結合係数（κ）が変動した場合でも、基本波周波数（ｆ_０）に対する入力インピーダンスの位相の変動が抑制されるため、力率の低下を抑制することができ、その結果として、高周波交流電源６の電源サイズを小型化することができる。

なお、本例において、非接触給電部１０の回路は必ずしも図２７に示す回路にする必要はなく、上記の条件、すなわち、Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性が、周波数（ｆ_０）に最も近く、極大値をとる周波数（ｆ_３）と、周波数（ｆ_０）に最も近く、極小値をとる周波数（ｆ_２）との間に周波数（ｆ_０）を有し、Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性が交流電源６４の基本波成分の周波数（ｆ_０）付近に極小値を有する、条件を満たす限り、例えば図３０、３１に示す回路であってもよい。図３０、３１は、本発明の変形例に係る非接触給電装置の非接触給電部１０の回路図である。

図３０に示すように、本例の変形例に係る非接触給電部１０は、コンデンサ１０５を一次巻線１０１に直列接続し、一次巻線１０１とコンデンサ１０５との直列回路にコンデンサ１０６を並列接続する。また図３１に示すように、本例の変形例に係る非接触給電部１０は、コンデンサ１０５を一次巻線１０１に直列接続し、一次巻線１０１とコンデンサ１０５との直列回路にコンデンサ１０６を並列接続し、コンデンサ１０５とコンデンサ１０６との接続点にコイル１０７を接続する。

６…高周波交流電源
６１…整流器
６１ａ〜６１ｆ…ダイオード
６２…平滑コンデンサ
６３…電圧型インバータ
６３ａ〜６３ｄ…トランジスタ
６４…三相交流電源
７…負荷部
７１…整流器
７１ａ〜７１ｄ…ダイオード
７２…負荷
１０…非接触給電部
１００…送電回路部
１０１…一次巻線
１０２、１０３、１０４、１０５、１０６…コンデンサ
１０７…コイル
２００…受電回路部
２０１…二次巻線
２０２、２０３、２０４、２０５、２０７、２０８…コンデンサ
２０６…コイル

Claims (5)

1. 交流電源により一次巻線から電力が供給される二次巻線を備え、
   Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性は前記交流電源の基本波成分の周波数の付近に極小値を有し、
   Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性は、前記基本波成分の周波数に最も近く、極大値をとる周波数と、前記基本波成分の周波数に最も近く、極小値をとる周波数との間に前記基本波成分の周波数を有し、
   前記Ｚ２の極小値をとる周波数は前記Ｚ１の極小値をとる周波数の半値幅の範囲内に設定されている
   ことを特徴とする非接触給電装置。
   ただし、
   Ｚ１は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記交流電源の出力側から見た一次側のみのインピーダンスを示し、
   Ｚ２は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記二次巻線に接続される負荷側から見た二次側のみのインピーダンスを示す。
2. 交流電源により一次巻線から電力が供給される二次巻線を備え、
   Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性は前記交流電源の基本波成分の周波数の付近に極小値を有し、
   Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性は、前記基本波成分の周波数に最も近く、極大値をとる周波数と、前記基本波成分の周波数に最も近く、極小値をとる周波数との間に前記基本波成分の周波数を有し、
   第１のコンデンサを前記一次巻線に直列に接続し、
   前記二次巻線と第２のコンデンサとの並列回路に第３のコンデンサを直列に接続し、
   

   

   ことを特徴とする非接触給電装置。
   ただし、
   Ｚ１は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記交流電源の出力側から見た一次側のみのインピーダンスを示し、
   Ｚ２は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記二次巻線に接続される負荷側から見た二次側のみのインピーダンスを示し、
   Ｃ_１ｓは、前記第１のコンデンサの電気容量を示し、
   Ｌ_１は、前記一次巻線のインダクタンスを示し、
   ｆ_０は、前記基本波成分の周波数を示し、
   Ｃ_２ｐは、前記第２のコンデンサの電気容量を示し、
   Ｃ_２ｓは、前記第３のコンデンサの電気容量を示し、
   Ｌ_２は、前記二次巻線のインダクタンスを示す。
3. 交流電源により一次巻線から電力が供給される二次巻線を備え、
   Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性は前記交流電源の基本波成分の周波数の付近に極小値を有し、
   Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性は、前記基本波成分の周波数に最も近く、極大値をとる周波数と、前記基本波成分の周波数に最も近く、極小値をとる周波数との間に前記基本波成分の周波数を有し、
   第１のコンデンサを前記一次巻線に直列に接続し、
   前記二次巻線と第２のコンデンサとの並列回路に第３のコンデンサを直列に接続し、
   前期交流電源の出力側から見たインピーダンス特性を複素平面で示した場合に、
   虚軸に最も近い第１の零点及び虚軸に二番目に近い第２の零点は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数の変化に伴い、互いに逆向きの軌跡をとる
   ことを特徴とする非接触給電装置。
   ただし、
   Ｚ１は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記交流電源の出力側から見た一次側のみのインピーダンスを示し、
   Ｚ２は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記二次巻線に接続される負荷側から見た二次側のみのインピーダンスを示す。
4. 交流電源により一次巻線から電力が供給される二次巻線を備え、
   Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性は前記交流電源の基本波成分の周波数の付近に極小値を有し、
   Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性は、前記基本波成分の周波数に最も近く、極大値をとる周波数と、前記基本波成分の周波数に最も近く、極小値をとる周波数との間に前記基本波成分の周波数を有し、
   前期交流電源の出力側から見たインピーダンスの値は、
   前記Ｚ２の極小値をとる周波数と前記Ｚ２の極大値をとる周波数との間の周波数帯域に応じて設定されている
   ことを特徴とする非接触給電装置。
   ただし、
   Ｚ１は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記交流電源の出力側から見た一次側のみのインピーダンスを示し、
   Ｚ２は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記二次巻線に接続される負荷側から見た二次側のみのインピーダンスを示す。
5. 交流電源により一次巻線から電力が供給される二次巻線を備え、
   Ｚ１の周波数に対するインピーダンス特性は、前記交流電源の基本波成分の周波数に最も近く、極大値をとる周波数と、前記基本波成分の周波数に最も近く、極小値をとる周波数との間に前記基本波成分の周波数を有し、
   Ｚ２の周波数に対するインピーダンス特性は前記基本波成分の周波数の付近に極小値を有し、
   前記Ｚ１の極小値をとる周波数は前記Ｚ２の極小値をとる周波数の半値幅の範囲内に設定されている
   ことを特徴とする非接触給電装置。
   ただし、
   Ｚ１は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記交流電源の出力側から見た一次側のみのインピーダンスを示し、
   Ｚ２は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が零の値であり、前記二次巻線に接続される負荷側から見た二次側のみのインピーダンスを示す。

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