JP6687239B2 - Wireless power supply - Google Patents

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Description

本発明は、受電側装置に無線で電力供給を行い得るワイヤレス電力供給装置に関する。   The present invention relates to a wireless power supply device capable of wirelessly supplying power to a power receiving device.

電磁界は、放射電磁界(電磁波)と非放射電磁界(エバネッセント場)に分類できる。非放射電磁界を用いて送電側装置から受電側装置に無線で電力を供給するワイヤレス電力供給システムには、結合共振器型、電磁誘導型、容量結合型などがある。この中で、結合共振器型のワイヤレス電力供給システムでは、送電側装置の送電側共振器と受電側装置の受電側共振器を非放射電磁界を介して共振させることにより電力を伝送することで、簡便な構成で伝送効率の高い電力供給を可能としている。   Electromagnetic fields can be classified into radiated electromagnetic fields (electromagnetic waves) and non-radiated electromagnetic fields (evanescent fields). There are a coupled resonator type, an electromagnetic induction type, a capacitive coupling type, and the like in a wireless power supply system that wirelessly supplies electric power from a power transmission side device to a power reception side device using a non-radiated electromagnetic field. Among these, in the coupled resonator type wireless power supply system, power is transmitted by resonating the power transmitting side resonator of the power transmitting side device and the power receiving side resonator of the power receiving side device via a non-radiated electromagnetic field. The simple structure enables power supply with high transmission efficiency.

特許文献1〜3は、本願発明者が発明者の一人であり、それらには結合共振器型のワイヤレス電力供給システムに関する技術が記載されている。特許文献1には、送電側装置において2個の送電側共振器が互いに対向し一方にだけ交流電流が供給されており、受電側装置の受電側共振器はそれらの間に配置されるものが開示されている。互いに対向する2個の送電側共振器を用いることで、伝送効率を更に高めて受電側装置に電力供給を行うことができる。   In Patent Documents 1 to 3, the inventor of the present application is one of the inventors, and the techniques related to the coupled resonator type wireless power supply system are described therein. In Patent Document 1, two power transmission side resonators are opposed to each other in the power transmission side device and an alternating current is supplied to only one of them, and the power reception side resonator of the power reception side device is arranged between them. It is disclosed. By using the two power transmission side resonators facing each other, it is possible to further improve the transmission efficiency and supply power to the power receiving side device.

また、特許文献2には、送電側装置からの非放射電磁界を屈折させて受電側装置に向けて誘導する誘電体又は磁性体の誘導器を備えるワイヤレス電力供給システムが開示されている。誘導器を用いることで、伝送効率を更に高めて受電側装置に電力供給を行うことができる。   Further, Patent Document 2 discloses a wireless power supply system including a dielectric or magnetic inductor that refracts a non-radiated electromagnetic field from the power transmission side device and guides it toward the power reception side device. By using the inductor, it is possible to further improve the transmission efficiency and supply power to the power receiving side device.

また、特許文献3には、結合共振器型のワイヤレス電力供給システムを応用したものである遊泳体観賞装置が開示されている。この遊泳体観賞装置では、水槽に取り付けられた送電側装置から水槽内の受電側装置である遊泳体に非放射電磁界を用いて無線で電力を伝送する。   Further, Patent Document 3 discloses a swimming pool viewing apparatus to which a coupled resonator type wireless power supply system is applied. In this swimming object viewing apparatus, electric power is wirelessly transmitted from the power transmission side device attached to the water tank to the swimming body, which is the power receiving side device in the water tank, using a non-radiated electromagnetic field.

特開2014−039665号公報JP, 2014-039665, A 特開2014−195364号公報JP, 2014-195364, A 特開2014−223262号公報JP, 2014-223262, A

ところで、非放射電磁界は、人体への長期的な影響は未解明ではあるが、人体への影響の面からは小さくするのが望ましい。そのための対策として、送電側装置の周りの適宜箇所に非放射電磁界をシールドするシールド材を配置して、その外側の非放射電磁界が小さくなるようにすることが考えられる。そのシールド材としては、典型的には金属製の板が考えられるが、金属製の板は、その内側を隠してしまうことになり、また、接地しなければならない。   By the way, it is desirable to reduce the non-radiated electromagnetic field from the viewpoint of the effect on the human body, although the long-term effect on the human body has not been clarified. As a countermeasure for that, it is conceivable to arrange a shield material that shields the non-radiation electromagnetic field at an appropriate place around the power transmission side device so that the non-radiation electromagnetic field on the outside thereof is reduced. A metal plate is typically considered as the shield material, but the metal plate hides the inside thereof and must be grounded.

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、ワイヤレス電力供給システムに用いられるワイヤレス電力供給装置(送電側装置)であって、内側を隠すことなく、接地しなくてもよいシールド材を備えるものを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is a wireless power supply apparatus (power transmission side apparatus) used in a wireless power supply system, which does not hide the inside and is not grounded. It is to provide one with a good shielding material.

上記目的を達成するために、請求項1に記載のワイヤレス電力供給装置は、コイルを有する少なくとも1個の送電側共振器と、該少なくとも1個の送電側共振器の励振を制御する送信側制御器と、水が蓄えられており、前記少なくとも1個の送電側共振器の前記コイルの周りに配置されて前記コイルからの非放射電磁界の電界をシールドするシールド材と、を備えてなることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the wireless power supply apparatus according to claim 1, wherein at least one power-transmitting-side resonator having a coil, and transmission-side control that controls excitation of the at least one power-transmitting-side resonator. And a shield material in which water is stored and which is arranged around the coil of the at least one power transmission side resonator and shields an electric field of a non-radiated electromagnetic field from the coil. Is characterized by.

請求項2に記載のワイヤレス電力供給装置は、請求項1に記載のワイヤレス電力供給装置において、前記水は、水道水であることを特徴とする。   A wireless power supply apparatus according to a second aspect is the wireless power supply apparatus according to the first aspect, wherein the water is tap water.

本発明のワイヤレス電力供給装置によれば、それに用いられるシールド材がその内側を隠すことなく、接地しなくてもよいようにすることができる。   According to the wireless power supply apparatus of the present invention, the shield material used for the wireless power supply apparatus does not hide the inside and does not need to be grounded.

本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給装置の構成を示す側面視断面図である。It is a side view sectional view showing composition of a wireless power supply unit concerning an embodiment of the present invention. 同上のワイヤレス電力供給装置の送電側共振器を示す平面図であって、(a)はコイルが円形状、(b)はコイルが矩形状である。It is a top view which shows the power transmission side resonator of a wireless power supply device same as the above, Comprising: (a) is a circular coil, (b) is a rectangular coil. 同上のワイヤレス電力供給装置が適用される遊泳体観賞装置を示す側面視断面図であって、(a)は送電側共振器が1個のもの、(b)は送電側共振器が2個のものである。It is a side view sectional drawing which shows the swimming body ornamentation apparatus to which the same wireless power supply device as the above is applied, (a) has one power transmission side resonator, (b) has two power transmission side resonators. It is a thing. 第1のシミュレーションの構成を示す図であって、(a)は側面視断面図、(b)は平面図である。It is a figure which shows the structure of a 1st simulation, (a) is a side view sectional drawing, (b) is a top view. 第1のシミュレーションにおける反射係数(S11)を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the reflection coefficient (S11) in a 1st simulation. 第1のシミュレーションにおいてシールド材の厚さを変えたときの電界エネルギー量の変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change of the amount of electric field energy when changing the thickness of a shield material in a 1st simulation. 第1のシミュレーションにおいて水槽とシールド材の間の距離を変えたときの電界エネルギー量の変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change of the amount of electric field energy when changing the distance between a water tank and a shield material in a 1st simulation. 第1のシミュレーションにおいてシールド材の水の導電率を変えたときの電界エネルギー量の変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change of the amount of electric field energy when changing the electric conductivity of the water of a shield material in a 1st simulation. 第2のシミュレーションの構成を示す側面視図であって、(a)はシールド材を水槽の短辺の側面側に配置したもの、(b)はシールド材を水槽の上面側に配置したものである。It is a side view which shows the structure of a 2nd simulation, (a) arrange | positions a shield material in the side surface of the short side of a water tank, (b) arrange | positions a shield material in the upper surface side of the water tank. is there. 第2のシミュレーションにおける反射係数(S11)を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the reflection coefficient (S11) in a 2nd simulation. 第2のシミュレーションにおいてシールド材を水槽の短辺の側面側に配置したときの電界分布を示す図であって、(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。It is a figure which shows the electric field distribution when the shield material is arrange | positioned at the side surface of the short side of a water tank in a 2nd simulation, (a) about resonance frequency 3MHz vicinity, (b) about resonance frequency 300kHz vicinity. Is. 第2のシミュレーションにおいてシールド材を水槽の上面側に配置したときの電界分布を示す図であって、(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。It is a figure which shows the electric field distribution when the shield material is arrange | positioned at the upper surface side of the water tank in a 2nd simulation, (a) is a thing near resonance frequency 3MHz, (b) is a thing near resonance frequency 300kHz. 第2のシミュレーションにおいて水槽の近傍にシールド材を配置しない場合の電界分布を示す図であって、(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。It is a figure which shows the electric field distribution in case a shield material is not arrange | positioned near the water tank in a 2nd simulation, (a) is a thing near resonance frequency 3MHz, (b) is a thing near resonance frequency 300kHz. 実験においてシールド材を水槽の短辺の側面側に配置したときのシールド材より外側の電界強度を示す図であって、(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。It is a figure which shows the electric field strength outside a shield material when arrange | positioning a shield material to the side surface of the short side of an aquarium in an experiment, (a) about resonance frequency 3MHz vicinity, (b) about resonance frequency 300kHz vicinity. belongs to. 実験においてシールド材を水槽の上面側に配置したときのシールド材より外側の電界強度を示す図であって、(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。It is a figure which shows the electric field strength of the outer side of the shield material when a shield material is arrange | positioned at the upper surface side of a water tank in an experiment, (a) is a thing near resonance frequency 3MHz, (b) is a thing near resonance frequency 300kHz. is there. 実験においてシールド材を水槽の上面側に配置したときのシールド材より外側の磁界強度を示す図であって、(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。It is a figure which shows the magnetic field strength of the outer side of the shield material when a shield material is arrange | positioned at the upper surface side of a water tank in an experiment, (a) is a thing near resonance frequency 3MHz, (b) is a thing near resonance frequency 300kHz. is there.

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ワイヤレス電力供給装置1は、図1に示すように、送電側共振器2と送信側制御器3とシールド材4とを備えている。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the wireless power supply device 1 according to the embodiment of the present invention includes a power transmission side resonator 2, a transmission side controller 3, and a shield material 4.

送電側共振器2は、図2(a)、(b)に示すように、コイル21を有している。コイル21は、絶縁膜で被覆した電気導線が平面的にスパイラル状に巻かれたスパイラルコイルとすることができる。コイル21は、図2(a)に示すような円形状、図2(b)に示すような矩形状、又はその他の多角形状(例えば、六角形状)に巻かれたもの或いは更に複雑な形状に巻かれたものにすることができる。また、コイル21には、両端(内端及び外端)の間にコンデンサ22を接続して共振周波数を調整することができる。また、コイル21は、絶縁膜で被覆した電気導線がソレノイド状に巻かれたソレノイドコイルとすることも可能である。   The power transmission side resonator 2 has a coil 21 as shown in FIGS. The coil 21 may be a spiral coil in which an electric conductor wire coated with an insulating film is wound in a planar spiral shape. The coil 21 has a circular shape as shown in FIG. 2A, a rectangular shape as shown in FIG. 2B, or another polygonal shape (for example, hexagonal shape) or a more complicated shape. It can be rolled. Further, the resonance frequency can be adjusted by connecting a capacitor 22 to both ends (inner end and outer end) of the coil 21. Further, the coil 21 may be a solenoid coil in which an electric wire covered with an insulating film is wound in a solenoid shape.

送信側制御器3は、送電側共振器2の励振を制御するものである。送信側制御器3は、詳細には、高周波電源3aと結合ループ3bを有する(図1参照)。高周波電源3aは、インピーダンスの変換を行う結合ループ3bを介して送電側共振器2を励振する。つまり、高周波電源3aはその出力信号を結合ループ3bに出力し、結合ループ3bは送電側共振器2のコイル21に電磁誘導結合している。結合ループ3bは、それを変形したり、他の公知のインピーダンス変換手段で置き換えたりすることも可能である。   The transmission side controller 3 controls the excitation of the power transmission side resonator 2. The transmission side controller 3 has a high frequency power supply 3a and a coupling loop 3b in detail (see FIG. 1). The high frequency power supply 3a excites the power transmission side resonator 2 via a coupling loop 3b that performs impedance conversion. That is, the high frequency power supply 3a outputs the output signal to the coupling loop 3b, and the coupling loop 3b is electromagnetically inductively coupled to the coil 21 of the power transmission side resonator 2. The coupling loop 3b can be modified or replaced with another known impedance conversion means.

このようなワイヤレス電力供給装置1では、送信側制御器3によって励振されたコイル21 は、周囲の領域に非放射電磁界を発生させる。   In such a wireless power supply device 1, the coil 21 excited by the transmission side controller 3 generates a non-radiation electromagnetic field in the surrounding area.

シールド材4は、水41が蓄えられている。より詳細には、シールド材4は、透明樹脂製(例えば、アクリル樹脂製)のケース42に水41を封入するようにすればよい。また、シールド材4は、送電側共振器2のコイル21の周りの一部に配置されている。図1ではコイル21の右側にシールド材4を配置したものを示しているが、どのような場所にどのような形状のものを配置しても構わない。   The shield material 4 stores water 41. More specifically, the shield material 4 may be configured such that the water 41 is enclosed in a case 42 made of a transparent resin (for example, an acrylic resin). Further, the shield material 4 is arranged in a part around the coil 21 of the power transmission side resonator 2. In FIG. 1, the shield member 4 is arranged on the right side of the coil 21, but any shape and any shape may be arranged.

シールド材4は、後述するシミュレーション及び実験で示すように、コイル21からの非放射電磁界の電界をシールドすることができる。シールド材4は、非放射電磁界の磁界にはほぼ影響を及ぼさない。シールド材4は、非放射電磁界の磁界にはほぼ影響を及ぼさないが、電界をシールドすることができるので、シールド材4の外側(コイル21と反対側)のトータルの非放射電磁界の量を低下させることができる。また、シールド材4は、透明のケースを用いると、水も透明であるから、内側(コイル21側)が隠れることがないので、シールド材4の外側から内側を視認することができる。また、シールド材4は、接地しなくてもよいので、接地不十分のためにアンテナとなって電磁波を放射する心配もなく、また、接地を考慮することなく色々な場所に自由に配置することができる。   The shield material 4 can shield the electric field of the non-radiation electromagnetic field from the coil 21, as shown in a simulation and an experiment described later. The shield material 4 has almost no effect on the magnetic field of the non-radiated electromagnetic field. The shield material 4 has almost no effect on the magnetic field of the non-radiated electromagnetic field, but since it can shield the electric field, the total amount of the non-radiated electromagnetic field outside the shield material 4 (on the side opposite to the coil 21). Can be reduced. When the transparent case is used as the shield material 4, water is also transparent, so that the inner side (on the side of the coil 21) is not hidden, so that the inner side can be visually recognized from the outer side of the shield material 4. Further, since the shield material 4 does not have to be grounded, there is no fear of radiating electromagnetic waves as an antenna due to insufficient grounding, and the shield material 4 may be freely arranged in various places without considering grounding. You can

以上説明した構成のワイヤレス電力供給装置1は、様々なワイヤレス電力供給システムに適用可能である。例えば、図3(a)に示すように、遊泳体観賞装置5に用いることができる。遊泳体観賞装置5では、ワイヤレス電力供給装置1の送電側共振器2は水槽6の底部に設けられている。水槽6内には水とともに、受電側共振器71を備える遊泳体(受電側装置)7が投入されることになる。遊泳体7には、ワイヤレス電力供給装置1から非放射電磁界を用いて無線で電力が供給される。シールド材4は、水槽6の側面などに配置される。   The wireless power supply device 1 having the configuration described above can be applied to various wireless power supply systems. For example, as shown in FIG. 3 (a), it can be used for the swimming pool viewing apparatus 5. In the swimming object viewing device 5, the power transmission side resonator 2 of the wireless power supply device 1 is provided at the bottom of the water tank 6. The swimming body (power receiving side device) 7 including the power receiving side resonator 71 is put into the water tank 6 together with water. The swimming body 7 is wirelessly supplied with power from the wireless power supply device 1 using a non-radiated electromagnetic field. The shield material 4 is arranged on the side surface of the water tank 6 or the like.

遊泳体観賞装置5では、水槽6内を観賞する人と水槽6の間にシールド材4を配置すれば、観賞を阻害することなく、人体に当たる非放射電磁界の量を低下させることができる。シールド材4は、自由な形状で自由に配置することができる。   In the swimming object viewing apparatus 5, if the shield member 4 is arranged between the person who watches the water tank 6 and the water tank 6, the amount of the non-radiated electromagnetic field that hits the human body can be reduced without disturbing the watching. The shield material 4 can be freely arranged in any shape.

また、遊泳体観賞装置5では、ワイヤレス電力供給装置1に、図3(b)に示すように、水槽6の蓋の中に、送電側共振器2と同様な構造の送電側共振器2’が設けられるようにすることができる。送電側共振器2’は、コイル21’を有し、また、その両端(内端及び外端)の間にコンデンサ22’を接続して共振周波数を調整することができる。   Further, in the swimming object viewing device 5, in the wireless power supply device 1, as shown in FIG. 3B, the power transmission side resonator 2 ′ having the same structure as the power transmission side resonator 2 is provided in the lid of the water tank 6. Can be provided. The power transmission side resonator 2'has a coil 21 ', and a resonance frequency can be adjusted by connecting a capacitor 22' between both ends (inner end and outer end) thereof.

水槽6の蓋の中の送電側共振器2’は、そこに到達して来た送電側共振器2からの非放射電磁界に結合して励振され、非放射電磁界を下方向に発生させる。それにより、遊泳体7の受電側共振器71は送電側共振器2からの非放射電磁界に加え送電側共振器2’からの非放射電磁界によっても電力が供給されるようになる。なお、送電側共振器2’はそれのみで動作し、そのための結合ループや高周波電源などは設けられない。   The power transmission side resonator 2 ′ in the lid of the water tank 6 is excited by being coupled to the non-radiation electromagnetic field from the power transmission side resonator 2 that has reached there, and generates the non-radiation electromagnetic field in the downward direction. . As a result, the power receiving side resonator 71 of the swimmer 7 is supplied with power by the non-radiating electromagnetic field from the power transmitting side resonator 2'in addition to the non-radiating electromagnetic field from the power transmitting side resonator 2. It should be noted that the power transmission side resonator 2 ′ operates by itself, and no coupling loop or high frequency power supply for that purpose is provided.

次に、ワイヤレス電力供給装置1について行ったシミュレーションと実験について述べる。シミュレーションソフトは、ANSYS社のHFSSを使用した。シミュレーションは、第1のシミュレーションと第2のシミュレーションに分かれる。実験は、第2のシミュレーションに対応する。これらのシミュレーション及び実験では、ワイヤレス電力供給装置1の送電側共振器2が水槽6の底部に、送電側共振器2’が水槽6の蓋に、それぞれ設けられるようにした。水槽6内には、水が投入されているようにした。   Next, a simulation and an experiment performed on the wireless power supply device 1 will be described. As the simulation software, HFSS of ANSYS Inc. was used. The simulation is divided into a first simulation and a second simulation. The experiment corresponds to the second simulation. In these simulations and experiments, the power transmission side resonator 2 of the wireless power supply device 1 was provided at the bottom of the water tank 6, and the power transmission side resonator 2 ′ was provided at the lid of the water tank 6. Water was introduced into the water tank 6.

第1のシミュレーションを先ず説明する。第1のシミュレーションでは、水槽6は、直径15cm、高さ10cmの円柱状とした。シールド材4(水41)は、高さ10cmの円筒状として、図4(a)、(b)に示すように、水槽6の側面を取り囲んで配置した。なお、シールド材4のケース42の厚さは、0とした。図4(a)、(b)において、シールド材4の外側の符号Sで示す円筒状の空間(灰色の部分)は、厚さ5cm、高さ10cmであり、電界エネルギー又は磁界エネルギーを積分して後述する電界エネルギー量又は磁界エネルギー量を導出する範囲である。   The first simulation will be described first. In the first simulation, the water tank 6 has a cylindrical shape with a diameter of 15 cm and a height of 10 cm. The shield member 4 (water 41) was in the shape of a cylinder having a height of 10 cm, and was arranged so as to surround the side surface of the water tank 6 as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). The thickness of the case 42 of the shield material 4 was zero. In FIGS. 4A and 4B, the cylindrical space (gray portion) indicated by reference numeral S outside the shield material 4 has a thickness of 5 cm and a height of 10 cm, and electric field energy or magnetic field energy is integrated. This is a range for deriving the amount of electric field energy or the amount of magnetic field energy described later.

送電側共振器2のコイル21は、直径1mmの電気導線を円形状に巻き、巻き数15で直径15cmの大きさとした。コイル21には、4.7nFのコンデンサ22を接続し、共振周波数が700kHz近傍になるようにした。送電側共振器2’も、送電側共振器2と同じ構成にして、同じ値のコイル21’とコンデンサ22’を用いた。   The coil 21 of the power transmission side resonator 2 was formed by winding an electric conductor wire having a diameter of 1 mm in a circular shape and having 15 windings and a diameter of 15 cm. A 4.7 nF capacitor 22 was connected to the coil 21 so that the resonance frequency was around 700 kHz. The power transmission side resonator 2'also has the same configuration as the power transmission side resonator 2 and uses a coil 21 'and a capacitor 22' having the same values.

図5の曲線aは、第1のシミュレーションにおいて、送電側共振器2を送信側制御器3によって励振したときの反射係数(S11)を示すものである。曲線aは、700kHz近傍に2個の谷が有り、よって、2個の共振周波数が有ることが分かる。曲線aにおける左側の共振周波数の共振モードが、コイル21とコイル21’から発生する電界が互いに逆相である奇モードであり、右側の共振周波数の共振モードが、コイル21とコイル21’から発生する電界が互いに同相である偶モードである。第1のシミュレーションで用いた共振モードは、奇モードである。   A curve a in FIG. 5 shows a reflection coefficient (S11) when the power transmission side resonator 2 is excited by the transmission side controller 3 in the first simulation. It can be seen that the curve a has two valleys near 700 kHz, and thus has two resonance frequencies. The resonance mode of the resonance frequency on the left side of the curve a is an odd mode in which the electric fields generated from the coil 21 and the coil 21 'are in opposite phases, and the resonance mode of the resonance frequency on the right side is generated from the coil 21 and the coil 21'. It is an even mode in which the electric fields generated are in phase with each other. The resonance mode used in the first simulation is an odd mode.

図6の曲線bは、シールド材4の厚さTを変えたときのシールド材4の周囲の電界エネルギー量の変化を示すものである。図6(及び後述する図7及び図8)における縦軸は、磁界エネルギー量で正規化した電界エネルギー量である。水槽6とシールド材4の間の距離Dは、5mmとした。シールド材4の水41の導電率は、0.02S/mとした。曲線bでは、シールド材4の厚さTが厚い程、電界をシールドする効果は大きくなって、シールド材4の外側の電界エネルギー量は小さくなる。なお、シールド材4の厚さTが0の電界エネルギー量は、シールド材4がない場合の電界エネルギー量である。   A curve b in FIG. 6 shows a change in the amount of electric field energy around the shield material 4 when the thickness T of the shield material 4 is changed. The vertical axis in FIG. 6 (and FIGS. 7 and 8 described later) is the electric field energy amount normalized by the magnetic field energy amount. The distance D between the water tank 6 and the shield material 4 was 5 mm. The conductivity of the water 41 of the shield material 4 was set to 0.02 S / m. In the curve b, the thicker the thickness T of the shield material 4, the greater the effect of shielding the electric field, and the smaller the amount of electric field energy outside the shield material 4. The electric field energy amount when the thickness T of the shield material 4 is 0 is the electric field energy amount when the shield material 4 is not provided.

図7の曲線cは、水槽6とシールド材4の間の距離Dを変えたときのシールド材4の周囲の電界エネルギー量の変化を示すものである。シールド材4の厚さTは、5mmとした。シールド材4の水41の導電率は、0.02S/mとした。曲線cでは、距離Dが5mmでは距離が0の場合よりも電界エネルギー量は増えているが、距離Dが5mmを超えると段々と電界エネルギー量は減って行っている。距離Dが15mm〜20mm以上ならば、電界エネルギー量は非常に小さくなっている。   A curve c in FIG. 7 shows a change in the amount of electric field energy around the shield material 4 when the distance D between the water tank 6 and the shield material 4 is changed. The thickness T of the shield material 4 was 5 mm. The conductivity of the water 41 of the shield material 4 was set to 0.02 S / m. In the curve c, when the distance D is 5 mm, the electric field energy amount is larger than when the distance is 0, but when the distance D exceeds 5 mm, the electric field energy amount is gradually reduced. When the distance D is 15 mm to 20 mm or more, the amount of electric field energy is very small.

図8の曲線dは、シールド材4の水41の導電率を変えたときのシールド材4の周囲の電界エネルギー量の変化を示すものである。シールド材4の厚さTは、5mmとし、水槽6とシールド材4の間の距離Dは、20mmとした。曲線dより、導電率によっては、電界エネルギー量はほとんど変わらないことが分かる。   A curve d in FIG. 8 shows a change in the amount of electric field energy around the shield material 4 when the conductivity of the water 41 of the shield material 4 is changed. The thickness T of the shield material 4 was 5 mm, and the distance D between the water tank 6 and the shield material 4 was 20 mm. It can be seen from the curve d that the electric field energy amount hardly changes depending on the conductivity.

水道水は、日本の全国27都道府県において測定した結果、導電率の最大値は0.06S/mであり、導電率0.02S/mのものが最も入手し易い平均的な値である。従って、シールド材4の水41には、通常、水道水を用いればよいことが分かる。   As a result of measuring tap water in 27 prefectures nationwide in Japan, the maximum electric conductivity is 0.06 S / m, and the electric conductivity of 0.02 S / m is the most easily available average value. Therefore, it is understood that tap water is usually used as the water 41 of the shield material 4.

次に、第2のシミュレーションを説明する。第2のシミュレーションでは、水槽6は、長辺22cm、短辺14cm、高さ16cmの直方体状とした。第2のシミュレーションでは、シールド材4を水槽6の短辺の側面側に配置(図9(a)参照)又は水槽6の上面側に配置(図9(b)参照)して、シールド材4を配置しないものと電界分布を比較した。水槽6からシールド材4までの距離は、1.8cmとした。シールド材4は、板状のものであり、全体の厚さは20mm、ケース42の厚さは5mmとした。水41の導電率は、0.02S/mとした。シールド材4は、シールド材4を水槽6の短辺の側面側に配置する場合は、長辺24.1cm、短辺19cmのものを用い、シールド材4を水槽6の上面側に配置する場合は、長辺35cm、短辺19cmのものを用いた。   Next, the second simulation will be described. In the second simulation, the water tank 6 has a rectangular parallelepiped shape with a long side of 22 cm, a short side of 14 cm, and a height of 16 cm. In the second simulation, the shield material 4 is arranged on the side surface of the short side of the water tank 6 (see FIG. 9A) or on the upper surface side of the water tank 6 (see FIG. 9B), and the shield material 4 is formed. The electric field distribution was compared with that without. The distance from the water tank 6 to the shield material 4 was 1.8 cm. The shield member 4 is a plate-shaped member, and has a total thickness of 20 mm and the case 42 has a thickness of 5 mm. The conductivity of water 41 was 0.02 S / m. When the shield material 4 is arranged on the side of the short side of the water tank 6, the shield material 4 has a long side of 24.1 cm and a short side of 19 cm, and the shield material 4 is arranged on the upper surface side of the water tank 6. Has a long side of 35 cm and a short side of 19 cm.

送電側共振器2のコイル21は、直径1mmの電気導線を矩形状に水槽6の底面の周辺部に巻き、巻き数9とした。コイル21には、238pF又は23nFのコンデンサ22を接続し、共振周波数が3MHz近傍又は300kHz近傍になるようにした。送電側共振器2’も、送電側共振器2と同じ構成にして、同じ値のコイル21’とコンデンサ22’を用いた。第2のシミュレーションで用いた共振モードは、第1のシミュレーションと同様に、奇モードである。   The coil 21 of the power transmission side resonator 2 was formed by winding an electric conductor wire having a diameter of 1 mm in a rectangular shape around the bottom surface of the water tank 6 to obtain 9 turns. A 238 pF or 23 nF capacitor 22 was connected to the coil 21 so that the resonance frequency was around 3 MHz or around 300 kHz. The power transmission side resonator 2'also has the same configuration as the power transmission side resonator 2 and uses a coil 21 'and a capacitor 22' having the same values. The resonance mode used in the second simulation is an odd mode as in the first simulation.

図10の曲線e、fは、第2のシミュレーションにおいて、送電側共振器2を送信側制御器3によって励振したときの反射係数(S11)を示すものである。曲線eは、第2のシミュレーションでコンデンサ22(及び22’)が238pFのもの、曲線fは、第2のシミュレーションでコンデンサ22(及び22’)が23nFのものである。なお、曲線g、hについては後述する。   Curves e and f in FIG. 10 show the reflection coefficient (S11) when the power transmitter resonator 2 is excited by the transmitter controller 3 in the second simulation. Curve e is for the capacitor 22 (and 22 ') of 238 pF in the second simulation, and curve f is for the capacitor 22 (and 22') of 23 nF in the second simulation. The curves g and h will be described later.

図11は、第2のシミュレーションにおいてシールド材4を水槽6の短辺の側面側に配置したときの電界分布を示す図であって、(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。図12は、第2のシミュレーションにおいてシールド材4を水槽6の上面側に配置したときの電界分布を示す図であって、(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。図13は、第2のシミュレーションにおいて水槽6の近傍にシールド材4を配置しない場合の電界分布を示す図であって、(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。これらの図において、最も白色の領域の電界強度は、10000V/m以上で最も黒色の領域の電界強度は、1V/m以下であり、最も白色から最も黒色まで明度を対数的に10段階に分けている。   FIG. 11 is a diagram showing an electric field distribution when the shield material 4 is arranged on the side surface of the short side of the water tank 6 in the second simulation, in which (a) is a resonance frequency near 3 MHz and (b) is The resonance frequency is around 300 kHz. FIG. 12 is a diagram showing an electric field distribution when the shield material 4 is arranged on the upper surface side of the water tank 6 in the second simulation, in which (a) is a resonance frequency near 3 MHz and (b) is a resonance frequency of 300 kHz. It is in the vicinity. FIG. 13 is a diagram showing an electric field distribution when the shield member 4 is not arranged near the water tank 6 in the second simulation, where (a) shows a resonance frequency near 3 MHz and (b) shows a resonance frequency near 300 kHz. belongs to. In these figures, the electric field strength in the whitest area is 10000 V / m or more, and the electric field strength in the blackest area is 1 V / m or less, and the brightness is logarithmically divided into 10 steps from the whitest to the blackest. ing.

図11(a)及び図12(a)の電界分布を図13(a)の電界分布と比較し、図11(b)及び図12(b)の電界分布を図13(b)の電界分布と比較すると、共振周波数が3MHz近傍であっても300kHz近傍であっても、シールド材4により電界に対して大きなシールド効果が得られることが分かる。なお、水槽6とシールド材4の隙間の電界強度が強くなっている傾向が見られることから、シールド材4は電界を大きく減衰させるとともに、その前に界面において電界を反射させてもいると考えられる。   The electric field distributions of FIGS. 11A and 12A are compared with the electric field distribution of FIG. 13A, and the electric field distributions of FIGS. 11B and 12B are compared with the electric field distribution of FIG. 13B. Comparing with, it can be seen that the shield material 4 can provide a large shield effect against an electric field regardless of whether the resonance frequency is near 3 MHz or around 300 kHz. Since the electric field strength in the gap between the water tank 6 and the shield material 4 tends to be stronger, it is considered that the shield material 4 largely attenuates the electric field and also reflects the electric field at the interface before that. To be

次に、実験を説明する。実験では、第2のシミュレーションと同じ形状及び大きさの水槽6、送電側共振器2、送電側共振器2’、シールド材4とした。実験では、シールド材4を水槽6の短辺の側面側に配置(図9(a)参照)又は水槽6の上面側に配置(図9(b)参照)して、シールド材4より外側の電界強度を測定した。また、シールド材4を水槽6の上面側に配置(図9(b)参照)して磁界強度を測定した。実験での電界強度及び磁界強度の測定には、Narda S.T.S.社製 EHP−200を使用した。また、水槽6からシールド材4までの距離は、1.8cmとした。従って、シールド材4の厚さは2cmであるから、電界強度及び磁界強度の測定は水槽6から3.8cmの地点から始まることになる。   Next, the experiment will be described. In the experiment, the water tank 6, the power transmission side resonator 2, the power transmission side resonator 2 ′, and the shield material 4 having the same shape and size as those in the second simulation were used. In the experiment, the shield material 4 is arranged on the side surface of the short side of the water tank 6 (see FIG. 9A) or on the upper surface side of the water tank 6 (see FIG. 9B) so that the shield material 4 is located outside the shield material 4. The electric field strength was measured. Further, the shield material 4 was placed on the upper surface side of the water tank 6 (see FIG. 9B), and the magnetic field strength was measured. For the measurement of electric field strength and magnetic field strength in the experiment, Narda S. et al. T. S. EHP-200 manufactured by the company was used. Further, the distance from the water tank 6 to the shield material 4 was 1.8 cm. Therefore, since the thickness of the shield material 4 is 2 cm, the measurement of the electric field strength and the magnetic field strength starts at a point 3.8 cm from the water tank 6.

上述した図10の曲線g、hは、実験において、送電側共振器2を送信側制御器3によって励振したときの反射係数(S11)を示すものである。曲線gは、実験でコンデンサ22(及び22’)が238pFのもの、曲線hは、実験でコンデンサ22(及び22’)が23nFのものである。曲線gは上述した曲線eに、曲線hは上述した曲線fに、良く一致している。なお、実験で用いた共振モードは、第1のシミュレーション(及び第2のシミュレーション)と同様に、奇モードである。   The curves g and h in FIG. 10 described above show the reflection coefficient (S11) when the power transmission side resonator 2 is excited by the transmission side controller 3 in the experiment. The curve g is the one in which the capacitor 22 (and 22 ') is 238 pF in the experiment, and the curve h is the one in which the capacitor 22 (and 22') is 23 nF in the experiment. The curve g is in good agreement with the above-mentioned curve e, and the curve h is in good agreement with the above-mentioned curve f. The resonance mode used in the experiment is an odd mode as in the first simulation (and the second simulation).

図14(a)の曲線iと図14(b)の曲線i’は、実験においてシールド材4を水槽の短辺の側面側に配置したときのシールド材4より外側の電界強度を示す図である。図14(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、図14(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。図14(a)と図14(b)には、比較のためにそれぞれ、シールド材4を除いた場合の電界強度の曲線j、曲線j’も示している。図15(a)の曲線kと図15(b)の曲線k’は、実験においてシールド材4を水槽の上面側に配置したときのシールド材4より外側(上側)の電界強度を示す図である。図15(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、図15(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。図15(a)と図15(b)には、比較のためにそれぞれ、シールド材4を除いた場合の電界強度の曲線l、曲線l’も示している。   A curve i in FIG. 14 (a) and a curve i ′ in FIG. 14 (b) are diagrams showing electric field strength outside the shield material 4 when the shield material 4 is arranged on the side surface side of the short side of the water tank in the experiment. is there. FIG. 14A shows the resonance frequency near 3 MHz, and FIG. 14B shows the resonance frequency near 300 kHz. For comparison, FIGS. 14A and 14B also show a curve j and a curve j ′ of the electric field strength when the shield material 4 is removed. A curve k in FIG. 15 (a) and a curve k ′ in FIG. 15 (b) are diagrams showing electric field strength outside (upper side) the shield material 4 when the shield material 4 is arranged on the upper surface side of the water tank in the experiment. is there. FIG. 15A shows the resonance frequency near 3 MHz, and FIG. 15B shows the resonance frequency near 300 kHz. For comparison, FIGS. 15A and 15B also show a curve 1 and a curve 1 ′ of the electric field strength when the shield material 4 is removed.

これらの図より、共振周波数が3MHz近傍であっても300kHz近傍であっても、シールド材4を設けると、シールド材4より外側では確実に電界強度が大きく下がっており、シールド材4により電界に対して大きなシールド効果が得られることが分かる。   From these figures, even if the resonance frequency is in the vicinity of 3 MHz or in the vicinity of 300 kHz, when the shield material 4 is provided, the electric field strength is surely greatly reduced outside the shield material 4, and the shield material 4 generates an electric field. It can be seen that a large shield effect can be obtained.

図16(a)の曲線mと図16(b)の曲線m’は、実験においてシールド材4を水槽の上面側に配置したときのシールド材4より外側(上側)の磁界強度を示す図である。図16(a)が共振周波数3MHz近傍のもの、図16(b)が共振周波数300kHz近傍のものである。図16(a)と図16(b)には、比較のためにそれぞれ、シールド材4を除いた場合の磁界強度の曲線n、曲線n’も示している。   A curve m in FIG. 16 (a) and a curve m ′ in FIG. 16 (b) are diagrams showing the magnetic field strength outside (upper side) the shield material 4 when the shield material 4 is arranged on the upper surface side of the water tank in the experiment. is there. FIG. 16 (a) shows a resonance frequency near 3 MHz, and FIG. 16 (b) shows a resonance frequency near 300 kHz. For comparison, FIGS. 16A and 16B also show a magnetic field strength curve n and a curve n ′ when the shield material 4 is removed, respectively.

図16(a)、(b)より、曲線mは曲線nに、曲線m’は曲線n’にほとんど重なっている。よって、共振周波数が3MHz近傍であっても300kHz近傍であっても、シールド材4は、ほとんど磁界強度に影響を及ぼさないことが分かる。   16A and 16B, the curve m almost overlaps the curve n and the curve m ′ almost overlaps the curve n ′. Therefore, it can be seen that the shield material 4 has almost no effect on the magnetic field strength regardless of whether the resonance frequency is near 3 MHz or around 300 kHz.

以上、本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給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。   Although the wireless power supply device according to the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the one described in the above embodiment, and various modifications are possible within the scope of the matters described in the claims. Design changes are possible.

1 ワイヤレス電力供給装置
2、2’ 送電側共振器
21、21’ コイル
22、22’ コンデンサ
3 送信側制御器
3a 高周波電源
3b 結合ループ
4 シールド材
41 水
42 ケース
5 遊泳体観賞装置
6 水槽
7 遊泳体(受電側装置)
71 受電側共振器
1 Wireless Power Supply Device 2, 2'Transmission Side Resonator 21, 21 'Coil 22, 22' Capacitor 3 Transmission Side Controller 3a High Frequency Power Supply 3b Coupling Loop 4 Shielding Material 41 Water 42 Case 5 Swimming Bodies Viewing Device 6 Water Tank 7 Swimming Body (power receiving device)
71 Power receiving side resonator

Claims (2)

コイルを有する少なくとも1個の送電側共振器と、
該少なくとも1個の送電側共振器の励振を制御する送信側制御器と、
水が蓄えられており、前記少なくとも1個の送電側共振器の前記コイルの周りに配置されて前記コイルからの非放射電磁界の電界をシールドするシールド材と、
を備えてなることを特徴とするワイヤレス電力供給装置。
At least one power-transmitting-side resonator having a coil;
A transmitter controller that controls the excitation of the at least one power transmitter resonator;
Water is stored and is arranged around the coil of the at least one power-transmitting-side resonator to shield the electric field of the non-radiated electromagnetic field from the coil;
A wireless power supply device comprising:
請求項1に記載のワイヤレス電力供給装置において、
前記水は、水道水であることを特徴とするワイヤレス電力供給装置。
The wireless power supply apparatus according to claim 1,
The wireless power supply device, wherein the water is tap water.
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