JP5966822B2 - ワイヤレス電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス電力伝送装置に関する。

電源コードを用いずに電力を供給するワイヤレス電力伝送技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別され、さまざまな分野での応用が期待されている。

こうした背景から、例えば電気自動車の車両下部に受電コイルを配置して、地中の給電コイルからワイヤレスで大電力（例えば数ｋ〜数１０ｋＷ）を伝送するという案も検討されており、このワイヤレス給電技術を用いれば、完全に絶縁された安全なシステムが構築可能となる。

一方、ワイヤレス電力伝送装置は、給電コイルから発生する交流磁場を受電コイルに電磁誘導作用によりワイヤレスで電力伝送する装置であるため、電力伝送に必要な交流磁場が不要輻射として放射されてしまい、周囲の環境へ電波障害を引き起こすことが懸念されている。

このような問題を解決するため、たとえば特許文献１には、近傍に適切なアクセス可能エリアを形成しながら、遠方で信号を打ち消して外部への悪影響を防止する技術が開示されている。

特開平８−２２３０９４

しかしながら、特許文献１の技術においては、送信コイルに供給する送信信号と位相が１８０°ずれた信号をキャンセルコイルに供給するための位相反転回路を備えて、近傍に適切なアクセス可能エリアを形成しながら遠方で信号を打ち消しているため、不要輻射を低減させるためにキャンセルコイルが発生する磁束が、強すぎたり、逆に弱すぎたりして、不要輻射を効果的に低減することができなかった。

また、特許文献１の図２に示されるように、地面４２に固定されたデータ記憶体３２のセンター軸と、移動体４０内部に搭載される送信コイル１６のセンター軸が停車時に水平方向にずれた場合、不要輻射がキャンセルコイル１８のセンター軸の左右に不均一な大きさで放射されるため、キャンセリングコイルが発生する磁束によって十分に打ち消されない不要輻射が周囲に放射されてしまうおそれがあった。

そこで、本発明の目的は、不要輻射を打ち消すための磁場の強さを制御し、不均一に放射する不要輻射を効果的に低減することが可能なワイヤレス給電装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のワイヤレス電力伝送装置は、給電コイルから受電コイルにワイヤレスで交流電力を伝送するための装置であって、信号源と接続された第１の電力増幅器が前記給電コイルを駆動し、前記信号源の出力信号の位相を１８０°ずらす位相反転器が第２の電力増幅器に接続され、前記第２の電力増幅器が、前記給電コイルと前記受電コイルの対向面とは反対面側に配置された前記給電コイルの方向に具備される第１の磁場キャンセラーコイルを駆動し、前記第１の磁場キャンセラーコイルの内側に第１の磁気検知手段を備え、前記第１の磁気検知手段の出力信号が第１の増幅制御器に入力され、前記第１の増幅制御器が前記第２の電力増幅器の増幅度を制御することを特徴とする。

この発明によれば、磁場キャンセラーコイルの内側に磁気検知手段を備えているため、不要輻射の大きさを検知し、この不要輻射の大きさに応じて磁場キャンセラーコイルが発生する磁場の強さを制御することができる。これにより、不要輻射を効果的に低減できる。

また、本発明のワイヤレス電力伝送装置においては、前記位相反転器が第３の電力増幅器に接続され、前記第３の電力増幅器が、前記給電コイルと前記受電コイルの対向面とは反対面側の前記受電コイルの方向に具備される第２の磁場キャンセラーコイルを駆動し、前記第２の磁場キャンセラーコイルの内側に第２の磁気検知手段を備え、前記第２の磁気検知手段の出力信号が第２の増幅制御器に入力され、前記第２の増幅制御器が前記第３の電力増幅器の増幅度を制御することを特徴とする。

この発明によれば、給電コイルと受電コイルの対向面とは反対面側の受電コイルの方向への不要輻射も低減されるため、２方向の遠方空間への不要輻射がより効果的に低減される。

また、本発明のワイヤレス電力伝送装置は、給電コイルから受電コイルにワイヤレスで交流電力を伝送するための装置であって、信号源と接続された第１の電力増幅器が前記給電コイルを駆動し、前記信号源の出力信号の位相を１８０°ずらす位相反転器が、第２から第（ｎ＋１）までの電力増幅器に接続され、前記第２から第（ｎ＋１）の電力増幅器が、それぞれ第１から第ｎの磁場キャンセラーコイルを駆動し、前記第１から第ｎの磁場キャンセラーコイルに備えられた磁気検知手段の出力信号が、それぞれ第１から第ｎの増幅制御器に入力され、前記第１から第ｎの増幅制御器が、それぞれ前記第２から第（ｎ＋１）の電力増幅器の増幅度を制御することを特徴とする。（ただしｎは、３≦ｎとなる整数）

この発明によれば、磁気検知手段を備えた磁場キャンセラーコイルが複数配置されるため、給電コイルの中心軸と受電コイルの中心軸がずれた場合や、遠方空間に複雑に放射された場合であっても、効果的に不要輻射を低減することができる。

本発明のワイヤレス給電装置によれば、不要輻射を打ち消すための磁場の強さを制御し、不均一に放射する不要輻射を効果的に低減することができる。

第１実施形態の構成図である。 第１実施形態の動作波形である。 第２実施形態の構成図である。 第２実施形態の応用例である。 第３実施形態の構成図である。 第３実施形態における磁場キャンセラーコイル・アレイの構成例である。 第３実施形態の応用例である。

（第１実施形態）
図１に本発明に係るワイヤレス電力伝送装置の第１実施形態を示す。

第１実施形態の構成は次のとおりである。先ず、信号源３から発せられる出力信号が第１の電力増幅器６によって増幅され、給電コイル１を駆動させる。続いて、この給電コイル１から受電コイル２にワイヤレスで交流電力が伝送され、負荷装置５に受電電力が供給される。

信号源３は、位相反転器４、第２の電力増幅器１０を介して第１の磁場キャンセラーコイル７に接続される。この第１の磁場キャンセラーコイル７は、その内側に第１の磁気検知手段８を備え、この第１の磁場キャンセラーコイル７の出力信号が第１の増幅制御器９を通じて再び第２の電力増幅器１０に戻るように接続されている。

第１の磁場キャンセラーコイル７は、給電コイル１の近傍に配置され、給電コイル１と受電コイル２の対向面とは反対面側の給電コイル１側へ配置されている。仮に第１の磁場キャンセラーコイル７を給電コイル１と受電コイル２との対向面側の範囲内に配置すると、給電コイル１から受電コイル２への電力伝送の磁場１２を減少させて、電力伝送効率に影響を与えるため、上記のように配置するのが好ましい。

第２の電力増幅器１０は、位相反転器４により信号源３の出力信号を、位相が１８０°ずれた信号としたうえで増幅して第１の磁場キャンセラーコイル７を駆動させる。第１の磁場キャンセラーコイル７の内側には、第１の磁気検知手段８が配置されており、この第１の磁気検知手段８の出力信号がゼロとなるように第１の増幅制御器９が第２の電力増幅器１０の増幅度を決定する。

図２を用いて本発明に係る第１実施形態の動作原理を説明する。図２（ａ）の波形Ａは、図１に示す信号源３の出力信号の波形であり、図示されている正弦波が好ましい。その理由として、図１に示す第１の電力増幅器６の出力波形である波形Ｂが正弦波となり、給電コイル１に流れる電流波形が正弦波となり、従って電力伝送の磁場１２の波形も正弦波となるために、基本波周波数の２倍、３倍、・・・、Ｎ倍の高次高調波が基本的に発生しない。そのために不要輻射に高調波周波数が含まれない点で、好ましい。図２（ｂ）の波形Ｂは、図１に示す第１の電力増幅器６の出力波形である。図２において、波形Ａと波形Ｂは振幅が異なる相似形であり、位相関係は同位相である。図２（ｃ）の波形Ｃは、図１に示す第２の電力増幅器１０の出力信号波形である。図２（ｂ）波形Ｂと、（ｃ）波形Ｃとは、位相反転器４により、位相が１８０°ずれて振幅が異なる相似形となる。

このように、第１の電力増幅器６の出力信号の波形Ｂと第２の電力増幅器１０の出力信号波形Ｃは、位相が１８０°ずれた相似形であるために、給電コイル１が発生する電力伝送の磁場１２の位相と、第１の磁場キャンセラーコイル７が発生する磁場の位相は互いに１８０°ずれて双方の磁場が打ち消し合い、第１の遠方空間１１へ放射される不要輻射が低減される。

給電コイル１が発生する電力伝送の磁場１２は、位置Ｃに配置される第１の磁気検知手段８の出力信号が図２（ｄ）の波形Ｄに示すとおり、現れる波形がゼロとなるように、第１の増幅制御器９が第２の電力増幅器１０の増幅度を決定して、第１の磁場キャンセラーコイル７に流す電流を制御する。従って位置Ｃにおける磁場はゼロとなり、第１の遠方空間１１への不要輻射を効果的に低減できる。

給電コイル１と第１の磁場キャンセラーコイル７間の距離が例え変化しても、位置Ｃにおける磁場がゼロとなるように、第１の磁場キャンセラーコイルに流れる電流が制御されるので、第１の遠方空間１１の放射される不要輻射が効果的に低減される。

第１の磁気検知手段８は、例えばホール効果を応用したホール素子、または磁気抵抗（ＭＲ）効果を応用した磁気抵抗（ＭＲ）素子を用い、第１の磁場キャンセラーコイル７のコイルのコイル部内側の磁場を高感度に検出可能な素子が使用される。また、第１の磁気検知手段８に感度の指向性がある場合には、電力伝送の磁場１２のベクトル方向を第１の磁気検知手段８の最も高感度な方向と一致させるとよい。そうすると、第１の磁気検知手段の感度を一段と向上させることができる。

また、第１の磁気検知手段８は、図１の位置Aに示すように、第１の磁場キャンセラーコイル７のコイル巻回部の内側に配置され、好ましくは磁気キャンセラーコイル７の厚みの範囲に納まるように配置するとよい。このような構成にすることによって、第１の磁場キャンセラーコイル７の厚みの中の磁場がゼロとなるため、第１の遠方空間１１の不要輻射の磁場は図２（ｅ）の波形Ｅに示すようにゼロとなる。仮に、コイル巻回部の外側に配置された場合は、第１の遠方空間１１の中心付近が第１の磁場キャンセラーコイル７の中心軸と一致しないために、効果的な不要輻射の低減が困難になる。

第１の磁気検知手段８が図１に示す位置Ｂに配置された場合には、電力伝送の磁場１２を打ち消す磁束が強くなりすぎて、第１の遠方空間１１における不要輻射を打ち消し過ぎて、図２（ｆ）の波形Ｆに示すように不要輻射の磁場がゼロとならずに増加してしまう。第１の磁気検知手段８出力信号が、位置Ｂにおける磁場をゼロとするように第１の増幅制御器９を制御してしまうからである。

第１の磁気検知手段８が図１に示す位置Ｃに配置された場合には、電力伝送の磁場１２を打ち消す磁場が弱すぎて、第１の遠方空間１１における不要輻射を打ち消し切らずに、図２（ｇ）の波形Ｇに示すように不要輻射の磁場がゼロとならずに増加してしまう。第１の磁気検知手段８出力信号が、位置Ｃにおける磁場をゼロとするように第１の増幅制御器９を制御してしまうからである。

第１の磁気検知手段８は、給電コイル１の中心軸と第１の磁場キャンセラーコイル７の中心軸とを一致させ、その軸上に配置されていることが望ましい。それぞれのコイルから放射される磁束の広がりがほぼ一致するため、効果的に不要輻射を低減できる。

さらに、第１実施形態において、第１の磁場キャンセラーコイル７の面積が給電コイル１の面積と比較して十分に大きいほうが遠方空間１１のより広い範囲にわたって不要輻射を低減させる効果が得られる。

以上のように動作することにより、給電コイル１が発生する磁場の強さがどのように変化しても、第１の磁場キャンセラーコイル７は遠方空間１１に放射される不要輻射を効果的に低減することができる。

この動作原理に従えば、電力伝送時に発せられる不要輻射の磁場１２が強くなったり弱くなったり変化した場合においても、常に第１の磁気検知手段８に印加される磁場がゼロとなるように適正に制御され、第１の遠方空間１１に放射される不要輻射を効果的に低減することができる。

図３に本発明に係る第２実施形態を示す。第２実施形態においては、給電コイル１と受電コイル２の対向面とは反対面側の受電コイル２の方向に第２の磁場キャンセラーコイル１３が配置される。第１の磁場キャンセラーコイル７と同様に、第２の磁場キャンセラーコイル１３の内側には、第２の磁気検知手段１４が配置され、この第２の磁気検知手段１４の出力信号がゼロとなるように第１の増幅制御器９が第２の電力増幅器１０の増幅度を決定する。その結果、第２の遠方空間１７に放射される不要輻射が効果的に低減される。

第２実施形態においては、第１の磁場キャンセラーコイル７および第２の磁場キャンセラーコイル１３が同時に制御されるため、第１の遠方空間１１のみならず第２の遠方空間１７の双方に放射される不要輻射が効果的に低減される。

また、第１の磁場キャンセラーコイル７および第２の磁場キャンセラーコイル１３の面積は、それぞれ給電コイル１および受電コイル２の面積よりも十分に大きい方が望ましい。そうすることによって、第１の遠方空間１１および第２の遠方空間１７のより広範囲に渡って、不要輻射を低減させることができる。

図４は、第２実施形態を電気自動車用のワイヤレス電力伝送装置に応用した例である。給電コイル１が電気自動車４０の直下の駐車場側に埋設され、受電コイル２が電気自動車４０の下部に実装されている。この受電コイル２には、例えば、整流／平滑回路と充電制御回路と再充電可能な二次電池などの負荷装置５が接続される。

信号源３から発せられる出力信号は、第１の電力増幅器６に接続され、給電コイル１を駆動させる。同時に、信号源３は位相反転器４に接続され、信号源３の出力信号と位相が１８０°ずれた信号が第２の電力増幅器１０に接続され、第１の磁場キャンセラーコイル７を駆動する。第１の磁気検知手段８が第１の磁場キャンセラーコイル７の内側に配置され、第１の磁気検知手段８の出力信号がゼロとなるように第１の増幅制御器９が第２の電力増幅器１０の増幅度を決定する。その結果、給電コイル１と受電コイル２が対向する面と反対側の給電コイル１の方向への不要輻射が効果的に低減される。

一方、カーポート４１の屋根部に第２の磁場キャンセラーコイル１３が設置され、位相反転器４が第３の電力増幅器１６に接続され、第２の磁場キャンセラーコイル１３の内側に配置される第２の磁気検知手段１４の出力信号がゼロとなるように第２の増幅制御器１５が第３の電力増幅器１６の増幅度を決定する。その結果、給電コイル１と受電コイル２が対向する面とは反対面側の受電コイル２の方向への不要輻射を、第２の遠方空間１７において効果的に低減することが可能である。

また、第１の磁場キャンセラーコイル７および第２の磁場キャンセラーコイル１３の面積が給電コイル１および受電コイル２の面積と比較して十分に大きい方が第１の遠方空間１１および第２の遠方空間１７に放射される不要輻射を広範囲に効果的に低減させることが可能となる。

図５は本発明に係る第３実施形態を示しており、磁場キャンセラーコイルが第１から第７までの７つを備えた形態である。第３実施形態の場合、給電コイル１の中心軸と受電コイル２の中心軸とがずれているため、不要輻射の磁束広がりが非常に複雑となる。たとえ、このようなワイヤレス電力伝送装置であっても、磁場キャンセラーコイルを複数で構成すれば、効果的に不要輻射を低減することができる。

第３実施形態においては、信号源３は第１の電力増幅器６と位相反転器４を介して第２電力増幅器７１から第８の電力増幅器７７に接続され、これらの電力増幅器がそれぞれ第１磁場キャンセラーコイル５０から第７の磁場キャンセラーコイル５６を駆動させる。第１から第７の磁場キャンセラーコイルの内側には、それぞれ第１の磁気検知手段５７から第７の磁気検知手段６３が設けられ、これらの磁気検知手段は第１の増幅制御器６４から第７の増幅制御器７０に接続されている。

つまり、第１の磁場キャンセラーコイル５０から第７の磁場キャンセラーコイル５６がそれぞれ個々に磁気検知手段を備えているため、第１から第７の増幅制御器は、第１から第７の磁気検知手段の出力信号を独立して制御できる。

よって、不要輻射の磁束広がりが複雑に変化するような、たとえば給電コイル１の中心軸と受電コイル２の中心軸がずれた位置でワイヤレス給電された場合や、給電コイル１と受電コイル２の相対的な位置関係が変化した場合であっても、それぞれの独立した磁場キャンセラーコイルが異なる増幅度で制御され、不要輻射をより効果的に低減させることが可能となる。

図６は、第３実施形態における磁場キャンセラーコイル・アレイの構成例Ａ１である。図６は、図５を上方から俯瞰した図であり、Ｃ１の構成が図５の第１の磁場キャンセラーコイル５０から第７の磁場キャンセラーコイル５６および第１の磁気検出手段５７から第７の磁気検知手段６３を示している。

図６に示すように、磁場キャンセラーコイル・アレイＡ１をＣ１列からＣ７列までの７列で構成すると、磁場キャンセラーコイルの総数は、縦に７個、横に７個の計４９個となり、それぞれが備える磁気検知手段も４９個となり、個々の第１から第４９の磁気検知手段が独立して制御されるため、複雑な放射パターンの不要輻射であっても効果的に低減できる。

磁場キャンセラーコイル・アレイ全体を一つの形状として捉えた場合、その形状は不要輻射が放射される略円形状に近い方がよい。具体的には、円形、正方形、４角形以上の正多角形が好ましい。不要輻射は、磁場キャンセラーコイル・アレイ全体の形状の長手方向と短手方向との長さに差があると、短手方向に大きくなるという傾向があるため、長手方向と短手方向との長さの比が１に近くなればなるほど、不要輻射は効果的に低減できる。

図７に第３実施形態の応用例を示す。給電コイル１から受電コイル２にワイヤレスで交流電力が伝送されて、負荷装置５で電力が消費される。電気自動車を例にとると、負荷装置５は例えば受電コイル２からの交流電圧を整流／平滑して充電制御回路により再充電可能な二次電池を充電する。信号源３の信号が第１の電力増幅器６に入力されて、第１の電力増幅器６は給電コイル１を駆動する。信号源３は位相反転器４に入力され、信号源３の出力信号と位相が１８０°ずれた信号が第２の電力増幅器１０に入力されて、第１の磁場キャンセラーコイル７を駆動する。

第１の磁場キャンセラーコイル７の内側に第１の磁気検知手段８が配置されて、第１の磁気検知手段８の出力信号がゼロとなるように第２の電力増幅器１０の増幅度を第１の増幅制御器９が制御する。その結果、給電コイル１と受電コイル２の対向面とは反対面側の給電コイル１の方向へ放射される第１の遠方空間１１への不要輻射が効果的に低減される。

次に給電コイル１と受電コイル２の対向面とは反対面側の受電コイル２の方向への不要輻射の低減について以下説明する。電気自動車４０のフロントガラスの窓枠に沿って磁場キャンセラーコイル８０が配置され、磁場キャンセラーコイル８０の内側に磁気検知手段８３が配置される。磁気検知手段８３の出力信号がゼロになるように第３の電力増幅器８９の増幅度が第２の増幅制御器８６により決定される。その結果、遠方空間９２に放射される不要輻射が効果的に低減される。

電気自動車４０の屋根部に磁場キャンセラーコイル８１が配置され、磁気検知手段８４の出力信号がゼロになるように第４の電力増幅器９０の増幅度が第３の増幅制御器８７により決定される。その結果、遠方空間９３に放射される不要輻射が効果的に低減される。

電気自動車４０のリアガラスの窓枠に沿って磁場キャンセラーコイル８２が配置され、磁場キャンセラーコイル８２の内側に配置される磁気検知手段８５の出力信号がゼロになるように第５の電力増幅器９１の増幅度が第４の増幅制御器８８により制御される。その結果、遠方空間９４に放射する不要輻射が効果的に低減される。

以上のように、第３実施形態の応用例に示す図７においては、給電コイル１と受電コイル２の対向面とは反対面側の受電コイル２の方向へ放射される不要輻射を、それぞれの給電コイル１を基準として異なる角度に配置された磁場キャンセラーコイル８０、８１、８２によって、異なる方向の遠方空間９２、９３、９４の３方向への不要輻射をより効果的に低減することが可能である。

再充電可能な二次電池を有する機器に利用可能であり、例えば、小容量では、電気シェーバー、据置型コードレス電話機、携帯電話機、携帯音楽プレーヤ等である。中容量では、業務用電動工具、工場内の搬送機、ロボット、ＬＥＤ照明、大型扇風機等である。大容量では、電気自動車、太陽光発電等のワイヤレス電力伝送システムに利用できる。

１ 給電コイル
２ 受電コイル
３ 信号源
４ 位相反転器
５ 負荷装置
６ 第１の電力増幅器
７ 第１の磁場キャンセラーコイル
８ 第１の磁気検知手段
９ 第１の増幅制御器
１０ 第２の電力増幅器
１１ 第１の遠方空間
１２ 電力伝送の磁場
１３ 第２の磁場キャンセラーコイル
１４ 第２の磁気検知手段
１５ 第２の増幅制御器
１６ 第３の電力増幅器
１７ 第２の遠方空間
４０ 電気自動車
４１ カーポート
５０〜５６ 磁場キャンセラーコイル
５７〜６３ 磁気検知手段
６４〜７０ 第１〜第７の増幅制御器
７１〜７７ 第２〜第８の電力増幅器
Ａ１ 第３実施形態における磁場キャンセラーコイル・アレイ
Ｃ１〜Ｃ２ ７個の磁場キャンセラーコイルから構成される１列の磁場キャンセラーコイル・アレイ
８０〜８２ 磁場キャンセラーコイル
８３〜８５ 磁気検知手段
８６〜８８ 第２〜第４の増幅制御器
８９〜９１ 第３〜第５の電力増幅器
９２〜９４ 遠方空間

Claims (3)

1. 給電コイルから受電コイルにワイヤレスで交流電力を伝送するための装置であって、信号源と接続された第１の電力増幅器が前記給電コイルを駆動し、前記信号源の出力信号の位相を１８０°ずらす位相反転器が第２の電力増幅器に接続され、前記第２の電力増幅器が、前記給電コイルと前記受電コイルの対向面とは反対面側の前記給電コイルの方向に具備される第１の磁場キャンセラーコイルを駆動し、前記第１の磁場キャンセラーコイルの内側に第１の磁気検知手段を備え、前記第１の磁気検知手段の出力信号が第１の増幅制御器に入力され、前記第１の増幅制御器が前記第２の電力増幅器の増幅度を制御することを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
2. 前記位相反転器が第３の電力増幅器に接続され、前記第３の電力増幅器が、前記給電コイルと前記受電コイルの対向面とは反対面側の前記受電コイルの方向に具備される第２の磁場キャンセラーコイルを駆動し、前記第２の磁場キャンセラーコイルの内側に第２の磁気検知手段を備え、前記第２の磁気検知手段の出力信号が第２の増幅制御器に入力され、前記第２の増幅制御器が前記第３の電力増幅器の増幅度を制御することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス電力伝送装置。
3. 給電コイルから受電コイルにワイヤレスで交流電力を伝送するための装置であって、信号源と接続された第１の電力増幅器が前記給電コイルを駆動し、前記信号源の出力信号の位相を１８０°ずらす位相反転器が、第２から第（ｎ＋１）までの電力増幅器に接続され、前記第２から第（ｎ＋１）の電力増幅器が、それぞれ第１から第ｎの磁場キャンセラーコイルを駆動し、前記第１から第ｎの磁場キャンセラーコイルに備えられた磁気検知手段の出力信号が、それぞれ第１から第ｎの増幅制御器に入力され、前記第１から第ｎの増幅制御器が、それぞれ前記第２から第（ｎ＋１）の電力増幅器の増幅度を制御することを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。（ただしｎは、３≦ｎとなる整数）

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