JP5952662B2

JP5952662B2 - 無線電力伝送装置

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Publication number: JP5952662B2
Application number: JP2012152105A
Authority: JP
Inventors: 石崎　俊雄; 俊雄石崎; 諭司野尻
Original assignee: Wave Technology Inc Japan
Current assignee: Wave Technology Inc Japan
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: JP2014017916A

Description

本発明は、非放射電磁界結合を用いて無線電力伝送を行う共振型結合方式の無線電力伝送装置に関する。

無線電力伝送には、磁気誘導方式、共振型結合方式、放射電磁波方式などがあり、この中でも非放射電磁界結合を用いて行われる共振型結合方式は、高効率で、かつ数メートル程度の中距離電力伝送が可能なため、近年、非常に注目を集めている。

図８は共振型結合方式の無線電力伝送装置の基本の構成を示す図である。無線電力伝送装置１０１では、高周波電源１０４から供給される電力は、結合ループなどのインピーダンス整合手段１０５を介して送電側共振器１０２に供給され、伝送距離ｄに応じた結合係数ｋで電磁界結合している受電側共振器１０３に伝送される。その後、同じく結合ループなどのインピーダンス整合手段１０６を介して負荷１０７に電力が供給される。この際の最大電力伝送効率は、共振器間の結合係数ｋと共振器の良さを示す無負荷Ｑ値の積によって決まることが知られている。そのため、無負荷Ｑ値の高い共振器構造や、遠方まで結合係数ｋが大きくなるような構成が詳しく研究されてきた。この場合の結合係数ｋは、送受電共振器相互間の相対的な位置や向きに依存する関数となる。

したがって、無線電力伝送にして伝送線を無くしたにも拘らず、従来の無線電力伝送装置は、電力伝送に適した送受電共振器相互間の相対的な位置や向きはかなり限定的なものであり、それから離れると伝送効率が大きく劣化し易いものであった。

この対策のため、送電側共振器を複数設けて、受電側共振器の位置或いは向きの変化による伝送効率の劣化を低減する無線電力伝送装置がこれまで提案されている。特許文献１は、車両を充電する無線電力伝送装置であり、車両の停止位置による受電側共振器の位置に応じて、複数並列に設けた送電側共振器のうち伝送効率が高い送電側共振器を選択する技術が記載されている。非特許文献１は、図９に示すように、受電側共振器１０３の向きに応じて、２個並列に設けた送電側共振器１０２、１０２の給電位相差を制御器１０４’によって同相と逆相とに切り替える技術の無線電力伝送装置１０１’が記載されている。符号１０５は送信側のインピーダンス整合手段、符号１０６は受信側のインピーダンス整合手段、符号１０７は負荷である。より詳細には、受電側共振器１０３の向きの回転角度θが−６０°〜６０°のときは同相、−９０°〜−６０°と６０°〜９０°のときは逆相としている。

特開２０１０−１８３８１２号公報

小川健一郎、外５名、"磁気共鳴型無線電力伝送における送電コイルアレーの効率測定"、２０１０年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、電子情報通信学会、２０１０年、Ｂ−１−２、ｐ．２

しかしながら、受電側共振器の向きの変化については、特許文献１に記載の技術では対応できない。また、非特許文献１に記載の技術においては、特定の位置において受電側共振器の向きの回転角度を変えた実験値が開示されているのみである。したがって、無線電力伝送というメリットを十分に享受できるように、特に受電側共振器の向きの変化による伝送効率の劣化を低減する対策については、開発の余地は大きい。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、受電側共振器の向きの回転角度を変化させても伝送効率の劣化を大幅に低減し得る無線電力伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の無線電力伝送装置は、複数の送電側共振器と、前記送電側共振器より小型で移動可能な少なくとも１個の受電側共振器と、少なくとも１個の高周波電源と、を具備し、前記送電側共振器のうち少なくとも２個は互いに略直交するように配置し電磁界結合させ、該略直交するように配置された２個の送電側共振器は、一方の送電側共振器が１個の高周波電源の出力信号で励振され、かつ、他方の送電側共振器が前記高周波電源によらずに一方の送電側共振器が発生する電磁界で励振されることで少なくとも２個の固有共振周波数を発生させてその少なくとも２個の固有共振周波数で前記受電側共振器を共振させ、前記１個の高周波電源の出力信号の周波数は前記少なくとも２個の固有共振周波数に合致するように切り替えられて、前記受電側共振器に電力を伝送することを特徴とする。

請求項２に記載の無線電力伝送装置は、請求項１に記載の無線電力伝送装置において、前記少なくとも２個の固有共振周波数は、奇モードと偶モードに対応する固有共振周波数であり、前記１個の高周波電源の出力信号の周波数は、前記奇モードに対応する固有共振周波数と前記偶モードに対応する固有共振周波数に合致するように切り替えられることを特徴とする。

請求項３に記載の無線電力伝送装置は、請求項１又は２に記載の無線電力伝送装置において、前記略直交するように配置された２個の送電側共振器に略直交するように別の送電側共振器を更に配置し、該別の送電側共振器は、前記１個の高周波電源の出力信号とは無相関な別の励振信号で励振されることを特徴とする。

請求項４に記載の無線電力伝送装置は、請求項３に記載の無線電力伝送装置において、前記別の励振信号は、前記１個の高周波電源の出力信号と無相関になるように位相差を時間的に変化させることを特徴とする。

請求項５に記載の無線電力伝送装置は、請求項３に記載の無線電力伝送装置において、前記別の励振信号は、前記１個の高周波電源の出力信号と周波数を違えていることを特徴とする。

本発明によれば、互いに略直交するように配置された送電側共振器の一方の送電側共振器を１個の高周波電源の出力信号で励振し、他方の送電側共振器を高周波電源によらずに一方の送電側共振器が発生する電磁界で励振することで、受電側共振器の向きの回転角度を変化させても伝送効率の劣化を大幅に低減し得る無線電力伝送装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成を模式的に示す斜視図である。同上の無線電力伝送装置の構成を模式的に示す平面図である。同上の無線電力伝送装置の固有共振モードを説明するための説明図である。送電側共振器が１個の場合の受電を説明する平面図である。送電側共振器が１個の場合の受電の特性を示す特性図である。同上の無線電力伝送装置の磁界ベクトルを示す平面図である。同上の無線電力伝送装置の構成の変形例を模式的に示す斜視図である。従来の無線電力伝送装置の構成を模式的に示す平面図である。従来の無線電力伝送装置の別の構成を模式的に示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置１は、共振型結合方式のものであって、図１及び図２に示すように、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙを具備し、それらを互いに略直交するように配置している。また、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙよりも小型で移動可能な１個の受電側共振器３を具備している。また、高周波交流電力の出力信号を出力する１個の高周波電源４を具備しており、その出力信号で２個の送電側共振器２ｘ、２ｙのうち一方の送電側共振器２ｘのみを励振している。他方の送電側共振器２ｙは、後述するように送電側共振器２ｘが発生する電磁界（非放射電磁界）で励振される。受電側共振器３には、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙから伝送距離ｄ、ｄ’に応じて電力が伝送される。

送電側共振器２ｘ、２ｙは、その形状が限定されるものではないが、例えば、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるコイルとすることが可能である。

高周波電源４は、詳細には、インピーダンスの整合を行う結合ループ５を介して送電側共振器２ｘを励振する。高周波電源４は、その出力信号を結合ループ５に出力し、結合ループ５は、送電側共振器２ｘに電磁界結合している。なお、送電側共振器２ｙについては、それの励振のための結合ループなどを設けていない。また、結合ループ５は、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。

受電側共振器３は、その形状が限定されるものではないが、例えば、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるコイルとすることが可能である。また、直径を小さくするために、電気導線を送電側共振器２ｘ、２ｙのコイルよりも密に巻いたり、コイルの両端間にコンデンサを接続したりすることができる。

受電側共振器３は、詳細には、インピーダンスの整合を行う結合ループ６を介して、受け取った電力を負荷７に供給する。結合ループ６は、受電側共振器３に電磁界結合している。負荷７は、通信端末機などの機器の所要の機能を発揮するための回路である。なお、結合ループ６は、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。また、図２では結合ループ６及び負荷７は省略している。

このような構成により、無線電力伝送装置１では、高周波電源４によって励振された送電側共振器２ｘは、周囲の領域に非放射電磁界を発生させる。そうすると、送電側共振器２ｙは、送電側共振器２ｘが発生する非放射電磁界に結合して励振される。そして、送電側共振器２ｙも周囲の領域に非放射電磁界を発生させる。２個の送電側共振器２ｘ、２ｙの近く（例えば、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙの中心線の交点付近）では、送電側共振器２ｘからの非放射電磁界と送電側共振器２ｙからの非放射電磁界とが合成された非放射電磁界の電磁界分布となる。なお、送電側共振器２ｙは、高周波電源によらずに、送電側共振器２ｘが発生する非放射電磁界に結合して励振されるので、送電側共振器２ｘとの間の干渉によって無駄な電力が消費されることもない。

このような電磁界分布は、図３に示すように、複数の固有共振モード（この図では２個の固有共振モード）を有する電磁界分布になり、固有共振モードそれぞれに対応する周波数が僅かに異なる複数の固有共振周波数が発生する。これら複数の固有共振モードは、送電側共振器２ｘと送電側共振器２ｙが同様の大きさと形状ならば、通常、送電側共振器２ｘと送電側共振器２ｙが逆相で共振する奇モードと同相で共振する偶モードであり、図３に示すように周波数が僅かに異なる２個の固有共振周波数が発生する。これら複数の固有共振モードの制御については後に詳述する。なお、図３は、単体のとき（送電側共振器２ｙが結合していないとき）の固有共振周波数が約２５．０ＭＨｚの送電側共振器２ｘに、送電側共振器２ｙが結合した場合を示しており、２個の固有共振周波数が約２４．９ＭＨｚと約２５．１ＭＨｚになっている。縦軸は、ＳパラメータＳ２１である。

受電側共振器３は、送電側共振器２ｘと送電側共振器２ｙから電磁界分布が発生する２個の固有共振周波数のどちらでも共振できるような形状、大きさ、又は構造であり、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙの近くの領域に配置されると、非放射電磁界によって共振に基づく結合が発生して電力が伝わる。そして、受電側共振器３に伝わった電力は負荷７に供給される。

次に、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙと受電側共振器３との間における電力の伝送効率について説明する。なお、送電共振器２ｘ、２ｙと受電共振器３との間の結合は、電界と磁界の両方で行われ、送電共振器２ｘ、２ｙに対向する受電共振器３のコイルの巻き方向などによって電界と磁界の２つの結合度の和もしくは差になる。しかし、一般的に、電界結合は共振器同士の距離が離れると急速に減衰するため、主に磁界結合によって電力伝送が行われている。したがって、以下の説明では、磁界結合を中心にして述べる。

まず、参考のために送電側共振器２ｙを省いて送電側共振器２ｘだけにして、図４に示すように、送電側共振器２ｘに対して受電側共振器３が傾いたときの結合の変化を説明する。磁界ベクトルは、送電側共振器２ｘから垂直に発生する。図５は、受電側共振器３の向きの回転角度θに対する結合係数ｋの変化の様子を示すものである。結合係数ｋは、正規化して示している。曲線ａ、ｂ、ｃはそれぞれ、送電側共振器２ｘと受電側共振器３の間の距離ｄが７ｃｍ、８ｃｍ、９ｃｍの場合の実測値である。送電側共振器２ｘの直径は２３ｃｍ、受電側共振器３の直径は３．１ｃｍとしている。

結合係数ｋは正対時（受電側共振器３の向きの回転角度θが０°のとき）が最大となり、そのときの値で規格化してグラフにするとコサインカーブで近似されることがわかる。これは、送電側共振器２ｘから出射されて平行に分布する磁界ベクトルを受電側共振器３が投影面積に応じて受電していることを示している。したがって、受電側共振器３の傾き、すなわち向きの回転角度θが大きく、受電側共振器３が磁界ベクトルと平行（受電側共振器３の向きの回転角度θが９０°）になると、受電することが難しくなってくることが分かる。

次に、２個の送電側共振器２ｘ、２ｙが設けられた無線電力伝送装置１における磁界ベクトルについて説明する。図６の（ａ）は２個の共振モードのうち奇モード、（ｂ）は偶モードの固有共振周波数に合致した周波数で送電側共振器２ｘが励振されたときの磁界ベクトルを示すものである。図における２個の送電側共振器２ｘ、２ｙの中心線の交点付近（破線の枠で示す）に注目すると、磁界ベクトルは、（ａ）の奇モードでは斜め右下、（ｂ）の偶モードでは斜め左下に向いており、奇モードと偶モードで磁界ベクトルの向きがほぼ９０度ずれていることがわかる。

このように奇モードと偶モードで磁界ベクトルの向きがずれていると、受電側共振器３の向きの回転角度θが変わって奇モードと偶モードのどちらかのモードから電力を受け取ることが困難でも、奇モードと偶モードのうちのその他のモードでは受電側共振器３は電力を受け取り易くなる。したがって、無線電力伝送装置１は、受電側共振器３の向きの回転角度θに適合したモードを発生させることで、回転角度θを変化させても結合係数ｋの変化が非常に少なく、伝送効率の劣化を大幅に低減し得るものとなり、受電側共振器３は良好に受電できることになる。

奇モードか偶モードのうち受電側共振器３の向きの回転角度θに適合したモードを発生させるため、高周波電源４は、その出力信号の周波数（励振周波数）が、奇モードに対応する固有共振周波数と偶モードに対応する固有共振周波数に合致するように切り替えられるようにする。例えば、受電側共振器３の向きを検出し、受電側共振器３の向きの回転角度θに応じて、奇モードに対応する固有共振周波数と偶モードに対応する固有共振周波数のいずれかに合致するように切り替えられるようにする。又は、受電側共振器３の向きに係わらず、奇モードに対応する固有共振周波数と偶モードに対応する固有共振周波数に所定時間毎に交互に合致するように切り替えられるようにすることも可能である。

なお、無線電力伝送装置１における送電側共振器２ｘと送電側共振器２ｙとが、互いに異なる形状、大きさ、又は構造であると、それらの電磁界結合により生じた固有共振モードが奇モードと偶モード以外のモードになったり、２個よりも多くなったりする場合も有る。そのような場合でも、少なくとも２個の固有共振モードは、それらの固有共振周波数に高周波電源４の出力信号の周波数が合致するように切り替えられることによって制御され、上述した奇モードと偶モードの場合と同様に磁界ベクトルの向きをずらして、受電側共振器３の向きの回転角度θを変化させても、伝送効率の劣化を大幅に低減し得るものとなり、受電側共振器３が良好に受電できるようにすることが可能である。

次に、無線電力伝送装置１を変形した無線電力伝送装置１’について説明する。この無線電力伝送装置１’は、図７に示すように、無線電力伝送装置１の構成に加えて、送電側共振器２ｘと送電側共振器２ｙに略直交するように別の送電側共振器２ｚを更に配置している。この送電側共振器２ｚは、高周波電源４の出力信号とは無相関な別の励振信号で励振されるようにしている。この別の励振信号として、高周波電源４’の出力信号が用いられる。なお、送電側共振器２ｚには、結合ループ５ｚが電磁界結合しており、結合ループ５ｚには高周波電源４’の出力信号が入力される。また、結合ループ５ｚは、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。

高周波電源４’の出力信号（ずなわち、別の励振信号）は、より詳細には、高周波電源４の出力信号と無相関になるようにそれとの位相差を時間的に変化させたものか、或いは高周波電源４の出力信号と周波数をわずかに違えたものとなっている。高周波電源４’の出力信号が高周波電源４の出力信号との位相差を時間的に変化させたものの場合は、高周波電源４’を高周波電源４とは独立に高周波信号を発生するか或いは高周波電源４’に高周波電源４の出力信号を入力させ、その位相を時間的に変化させて出力させればよい。高周波電源４’の出力信号が周波電源４の出力信号と周波数をわずかに違えたものの場合は、高周波電源４’を高周波電源４とは独立に高周波信号を発生して交流電源として出力信号を出力するものとすればよい。

このような無線電力伝送装置１’は、無線電力伝送装置１と同様に、電磁界分布が、磁界ベクトルの向きがずれた複数の固有共振モードを有する電磁界分布になり、複数の固有共振モードに対応する複数の固有共振周波数が発生する。無線電力伝送装置１’における電磁界分布は、更に、磁界ベクトルの向きが３次元方向に時間的に変化する。それにより、受電側共振器３が３次元方向に向きを様々に変えた場合でも、伝送効率の劣化を低減して良好に受電できるようにすることが可能である。

以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。

１無線電力伝送装置
２ｘ、２ｙ送電側共振器
３受電側共振器
４高周波電源
５送電側の結合ループ（インピーダンス整合手段）
６受電側の結合ループ（インピーダンス整合手段）
７負荷

Claims

複数の送電側共振器と、
前記送電側共振器より小型で移動可能な少なくとも１個の受電側共振器と、
少なくとも１個の高周波電源と、を具備し、
前記送電側共振器のうち少なくとも２個は互いに略直交するように配置し電磁界結合させ、
該略直交するように配置された２個の送電側共振器は、
一方の送電側共振器が１個の高周波電源の出力信号で励振され、かつ、他方の送電側共振器が前記高周波電源によらずに一方の送電側共振器が発生する電磁界で励振されることで少なくとも２個の固有共振周波数を発生させてその少なくとも２個の固有共振周波数で前記受電側共振器を共振させ、前記１個の高周波電源の出力信号の周波数は前記少なくとも２個の固有共振周波数に合致するように切り替えられて、前記受電側共振器に電力を伝送することを特徴とする無線電力伝送装置。
前記少なくとも２個の固有共振周波数は、奇モードと偶モードに対応する固有共振周波数であり、
前記１個の高周波電源の出力信号の周波数は、前記奇モードに対応する固有共振周波数と前記偶モードに対応する固有共振周波数に合致するように切り替えられることを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
前記略直交するように配置された２個の送電側共振器に略直交するように別の送電側共振器を更に配置し、
該別の送電側共振器は、前記１個の高周波電源の出力信号とは無相関な別の励振信号で励振されることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線電力伝送装置。
前記別の励振信号は、前記１個の高周波電源の出力信号と無相関になるように位相差を時間的に変化させることを特徴とする請求項３に記載の無線電力伝送装置。
前記別の励振信号は、前記１個の高周波電源の出力信号と周波数を違えていることを特徴とする請求項３に記載の無線電力伝送装置。