JP6742219B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源から送電用コイルを介して、送電用コイルに対向した受電用コイルに非接触で電力を供給して電子製品を充電する非接触電力伝送装置に関するものである。

電子製品を充電する方法の一つとして、送電用コイルと電子製品に設けられた受電用コイルとを対向させて、送電用コイルから受電用コイルに対して無線により電力を供給する非接触電力伝送装置が知られている。この充電の方法においては、電子製品が電力を適切に供給可能な位置に配置されない場合があり、送電用コイルと受電用コイルの位置ずれにより、送電用コイルと受電用コイルの間の磁気の結合係数の低下が起こり、電力の供給が不可能となる、若しくは電力の供給効率が低下するおそれがある。そのため、送電用コイルと受電用コイルが位置ずれしていても、電力の供給が可能である、若しくは電力の供給効率が良好である非接触電力伝送装置が特に重要となる。

従来、非接触電力伝送装置において、送電用コイルと受電用コイルが位置ずれしていても、電力を効率良く供給する方法として、平面渦巻き型コイルで構成されている送電用コイルと受電用コイルの外径比及び内径比を所定の範囲の値にする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この構成により、送電用コイルと受電用コイルが位置ずれしていても電力の供給を可能とする。

また、電子製品の一例として車両を充電する非接触電力伝送装置において、複数のコイル単体が長尺方向で連結されて構成されている送電用コイルと受電用コイルを有し、送電用コイルの各コイル単体のいずれかを選択して電源装置からの電力を供給できるように電源装置と各コイル単体との接続形態を変える選択手段を備える技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。この構成により、受電用コイルが設けられた車両は送電用コイル上のどの位置に停車しても、選択手段による接続形態の選択により、受電用コイルへの電力の供給効率が最も良い送電用コイルのコイル単体を選択して、そのコイル単体と電源装置を接続して、送電用コイルから受電用コイルに電力を供給することを可能とする。

特開２００９−１８８１３１号公報（段落［００４３］、［００４８］、［００５６］、［００５９］、［００６５］、［００７０］） 特開２０１５−１５３７７３号公報（段落［００１５］、［００２５］、−［００３０］、［図１］−［図８］等）

しかし、特許文献１及び特許文献２に記載された発明では、送電用コイルと受電用コイルの位置ずれにより、両コイルの間の磁気の結合係数の値が変動するため、電力の供給源である電源装置は、電子製品を安定して充電するために、充電毎に供給電力をより変化させる必要があり、電源装置の調整が増大してしまうという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、送電用コイルと電子製品に設けられた受電用コイルが長尺方向で位置ずれしても、送電用コイルと受電用コイルの間の磁気の結合係数の値がほぼ一定となる。そのため、充電毎の電源装置の供給電力が変化することを防ぐことができ、電力の調整を軽減できて、送電用コイルを介して受電用コイルに電力を供給する非接触電力伝送装置を提供することを課題としている。

かかる課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電源装置から送電用コイルを介して、送電用コイルに対向した受電用コイルに非接触で電力を供給する非接触電力伝送装置であって、前記送電用コイルが長尺のコアと、前記長尺のコアに巻回された電線を備え、前記受電用コイルがコアと、前記コアに巻回された電線を備え、前記送電用コイルと前記受電用コイルが長尺方向で位置ずれしても、磁気の結合係数の値がほぼ一定となるように、前記送電用コイルの長尺方向において中央付近部分より両端付近部分の電線の巻き幅が密になるように、電線が巻回されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記送電用コイルの長尺方向の長さが前記受電用コイルの長尺方向の長さより長いことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記送電用コイルは電源装置の前方側に設けられ、前記受電用コイルは前記送電用コイルに対向して、車両の前方に設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記送電用コイルが長尺方向に沿って複数設けられ、前記受電用コイルが前記送電用コイルの長尺方向に沿って移動する移動走行体に設けられていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の構成に加え、前記受電用コイルに電力を供給する各々の前記送電用コイルに、前記受電用コイルの移動に応じて電源装置の電源の接続を切替えるための切替え手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、送電用コイルと電子製品に設けられた受電用コイルが長尺方向で位置ずれしても、送電用コイルと受電用コイルの間の磁気の結合係数がほぼ一定となる。そのため、充電毎の電源装置の供給電力が変化することを防ぐことができ、電力の調整を軽減できて、送電用コイルを介して受電用コイルに電力を供給することを可能とする。

この発明の実施の形態１に係る非接触電力伝送装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る対向する送電用コイル及び受電用コイルを示す斜視図である。（ａ）は送電用コイルの斜視図、（ｂ）は受電用コイルを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る送電用コイルのコアに電線が巻回された構造を示す平面図である。 この発明の実施の形態１において、簡易実験に用いた送電用コイル及び受電用コイルのコアの長尺方向の長さと電線の巻数を示す表である。 この発明の実施の形態１において、簡易実験による送電用コイルと受電用コイルが長尺方向で位置ずれした距離に対する結合係数の値を示すグラフである。 この発明の実施の形態１において、簡易実験による送電用コイルと受電用コイルが長尺方向で位置ずれした距離に対する結合係数の値を示す表である。 この発明の実施の形態２に係る非接触電力伝送装置を示す斜視図である。

［発明の実施の形態１］
図１乃至図６には、この発明の実施の形態１を示す。
この実施の形態１に係る非接触電力伝送装置１００は、図１に示すように、電源装置１と、電源装置１の前方に設けられた送電用コイル２と、送電用コイル２に対向して位置できるように、車両３の前方に設けられた受電用コイル４で構成されている。なお、送電用コイル２及び受電用コイル４が設けられる位置は、前述した位置に限らず、例えば、地面に送電用コイル２が設けられ、送電用コイル２に対向できるように車両３の下側に受電用コイル４が設けられていてもよい。

この送電用コイル２は、図２（ａ）及び図３で示すように、長尺の平板であるコア５と電線６で構成されており、コア５の長尺方向に対して垂直の方向に電線６が巻回されている。送電用コイル２は、送電用コイル２の長尺方向において図２（ａ）及び図３で示すように、中央付近部分２ｂより両端付近部分２ａの電線６の巻き幅が密になるように、電線６が巻回されて構成されている。

受電用コイル４は、図２（ｂ）に示すように、長尺の平板であるコア７と電線６で構成されており、コア７の長尺方向に対して垂直の方向に電線６が巻回されて構成されている。

送電用コイル２のコア５は、長尺方向の長さが受電用コイル４のコア７の長尺方向の長さより長くなるように構成されている。

次に、実施の形態１の非接触電力伝送装置１００の使用方法について説明する。
まず、図１に示すように、運転者は車両３の前方に設けられた受電用コイル４が電源装置１の前方に設けられた送電用コイル２に対向するように車両３を停車させる。送電用コイル２は電源装置１の前方側に設けられ、受電用コイル４は送電用コイル２に対向して車両３の前方に設けられているため、運転者が車両３を充電するために車両３に設けられた受電用コイル４を送電用コイル２に可能な限り近づけることができる。

しかしながら、運転者が車両３を停車させたとき、送電用コイル２と受電用コイル４は長尺方向で位置ずれする場合がある。この状態のまま、運転者は車両３を充電するために、電源装置１のスイッチを操作して、電力を送電用コイル２に供給させる。このとき、図２（ａ）及び図３に示すように、送電用コイル２は長尺方向において、中央付近部分２ｂより両端付近部分２ａの電線の巻き幅が密になるように構成されている。そのため、送電用コイル２と受電用コイル４の間の磁気の結合係数の値はほぼ一定の値となるため、送電用コイル２から受電用コイル４への電力の供給効率がほとんど変動することがない。これにより、充電毎の電源装置１の供給電力が変化することを防ぐことができ、電力の調整を軽減することができる。そして、送電用コイル２を介して受電用コイル４に電力を供給することができる

すなわち、この実施の形態１において、送電用コイル２は、長尺方向において、中央付近部分２ｂより両端付近部分２ａの電線の巻き幅が密になるように構成されており、送電用コイル２と受電用コイル４が長尺方向で位置ずれしても、送電用コイル２と受電用コイル４の間の磁気の結合係数の値がほぼ一定となるように構成されているものである。

そこで、以下に、この送電用コイル２と受電用コイル４が長尺方向で位置ずれしても、送電用コイル２と受電用コイル４の間の磁気の結合係数の値がほぼ一定となることを簡易実験にて図４乃至図６を参照にしながら説明する。

この簡易実験における送電用コイル２は、図４に示すとおり長さが３６０ｍｍのコア５に電線６の巻数が２５回になるように、図２（ａ）及び図３に示すように電線６がコア５の中央付近部分２ｂより両端付近部分２ａの電線６の巻き幅が密になるように巻回されて構成されている。一方、受電用コイル４は、図４に示すとおり長さが１８０ｍｍのコア７に電線６の巻き数が２５回となるように、図２（ｂ）に示すように、電線６がコア７に巻回されて構成されている。この送電用コイル２と受電用コイル４が対向する間の距離が２０ｍｍになるように配置させて、図２（ａ）及び図３に示す送電用コイル２の中心線２Ｃから図２（ｂ）に示す受電用コイル４の中心線４Ｃまでの距離Ｌ（図２参照）が長尺方向に１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲で位置ずれしたときの結合係数の値を求めた。その結果を図５及び図６に示す。

この簡易実験の結果、図５及び図６に示すとおり、送電用コイル２の中心線２Ｃから受電用コイル４の中心線４Ｃまでの距離Ｌ（図２参照）が長尺方向に１ｍｍ以上１００ｍｍ以下位置ずれしたとき、結合係数の値はほぼ０．１８となっている。すなわち、実施の形態１における非接触電力伝送装置１００では、長尺方向において中央付近部分２ｂより両端付近部分２ａの電線６の巻き幅が密になるように構成された送電用コイル２と受電用コイル４が長尺方向で位置ずれしても、両コイル間の磁気の結合係数の値はほぼ一定となることになる。そのため、電力供給効率が急激に変化することを防ぐことができる。

また、運転者が車両３を停車させるときにおいては、送電用コイル２の長尺方向の長さは車両３に設けられた受電用コイル４の長尺方向の長さより長くなるように構成されている。そのため、運転者は送電用コイル２の長尺方向の範囲内に受電用コイル４全体が収まるように停車しやすくなり、また、受電用コイル４は長尺方向全体で送電用コイル２が発生する電磁界と共振して電力を効率良く受給することができる。

以上、この実施の形態１において、送電用コイル２は、送電用コイル２の長尺方向において中央付近部分２ｂより両端付近部分２ａの電線６の巻き幅が密になるように巻回されて構成されている。これにより、送電用コイル２と受電用コイル４が長尺方向で位置ずれしても、両コイル間の磁気の結合定数の値がほぼ一定になるように構成されている。そのため、充電毎に電源装置１の供給電力が変化することを防ぐことができ、電力の調整を軽減できて、調整中に発生する高電圧及び高電流の発生を抑え、送電用コイル２から受電用コイル４に効率良く電力を供給することができる。

なお、上記の実施の形態１において説明した簡易実験は一例であり、本発明における送電用コイル２と受電用コイル４の間の磁気の結合係数がほぼ一定となる位置ずれの距離の範囲が簡易実験における値に限定されることを意味するものではないことは、いうまでもない。

［発明の実施の形態２］
本発明の実施の形態２について図７に示す。
本発明の実施の形態２に係る非接触電力伝送装置２００は、図７に示すように、移動経路に送電用コイル２は長尺方向に沿って複数設けられ、受電用コイル４は送電用コイル２の長尺方向に沿って移動する移動走行体８に設けられて構成されている。また、受電用コイル４に送電用コイル２を介して電力を供給するため、送電用コイル２に接続されるように電源装置１が設けられて構成されている。この実施の形態２における送電用コイル２及び受電用コイル４は、実施の形態１と同様の構成とするため、説明を省略する。

この実施の形態２に係る非接触電力伝送装置２００では、移動走行体８に設けられた受電用コイル４が対向する位置の送電用コイル２に電源装置１の電力が供給されるように、電源装置１と送電用コイル２の接続を切替える切替え手段９が設けられている。さらに、非接触電力伝送装置２００には、移動している移動走行体８の位置を検出して信号を発信する位置検出装置１３が設けられ、その信号を受信して、送電用コイル２と電源装置１の接続を切替える切替え手段９を制御する制御装置（図示せず）が設けられている。

この位置検出装置１３は、図７に示すように、移動走行体８に設けられ、信号を発信する発信装置１１と、各々の送電用コイル２に設けられ、発信装置１１からの信号を受信し、信号の受信レベルを計測して、受信レベルの情報と共に制御装置に信号を発信する受信装置１２で構成されている。移動走行体８が走行して任意の位置まで移動してきた時に、移動走行体８と対向する送電用コイル２の近傍に設けられている受信装置１２が発信装置１１からの信号を受信して制御装置に信号を発信する。制御装置は、該信号を受信して、切替え手段９に該送電用コイル２と電源装置１を接続させるように構成されている。このように、位置検出装置１３は、移動走行体８の位置を検出し、移動走行体８が位置する送電用コイル２に設けられている制御装置に信号を送信して、制御装置に切替え手段９を制御させるように構成されている。

また、この電源装置１は、図７に示すように、一つの電源装置１が移動経路に設けられた各々の送電用コイル２と接続されるように構成されている。なお、電源装置１は、この実施の形態２では前述した構成をとるが、これに限らず、複数の電源装置１がそれぞれ移動経路に設けられた各々の送電用コイル２に対して接続されるように構成されてもよい。

さらに、切替え手段９は、図７に示すように、電源装置１と接続される移動経路に設けられた各々の送電用コイル２に対してそれぞれ設けられている。

また、移動走行体８には、受電用コイル４に接続され、受電用コイル４が受電した電力を蓄電する蓄電装置１０が設けられている。この蓄電装置１０は、送電用コイル２からの供給される電力を蓄電し、移動走行体８に電力を送り、安定して走行できるように構成されている。

なお、位置検出装置１３は、発信装置１１と受信装置１２で構成されているが、これに限らず、移動走行体８の位置を検出して制御装置に信号を発信し、その信号を制御装置が受信して、移動走行体８と対向する送電用コイル２と電源装置１を接続させるように切替え手段９を制御する構成であれば良い。

次に、実施の形態２の非接触電力伝送装置２００の使用方法について説明する。
まず、図７に示すように、長尺方向に沿って複数設けられた送電用コイル２を移動経路として受電用コイル４が設けられた移動走行体８が走行して移動する。移動走行体８の移動中、移動走行体８に設けられた発信装置１１（位置検出装置１３）が信号を発信する。そして、移動走行体８と対向する送電用コイル２の近傍に配置された受信装置１２（位置検出装置１３）が信号を受信して、信号の受信レベルを計測し、受信レベルの情報と共に制御装置に信号を発信する。制御装置は信号を受信して、対向する送電用コイル２と電源装置１が接続されるように切替え手段９を制御する。切替え手段９は対向する送電用コイル２と電源装置１が接続されるように接続を切り替えることにより、電源装置１から送電用コイル２に電力が供給される。

そして、移動走行体８が移動すると、移動走行体８は、進行先の送電用コイル２に移動していき、進行先の送電用コイル２と先に対向している送電用コイル２の間に跨るように対向する。このとき、進行先の送電用コイル２の受信装置１２は、発信装置１１からの信号の受信も可能となり、受信装置１２は制御装置に信号を送り、制御装置が進行先の送電用コイル２と電源装置１が接続されるように切替え手段９を制御して、電源装置１から送電用コイル２に電力が供給可能な状態となる。このとき、先に対向している送電用コイル２は、まだ移動走行体８と対向している状態であるため、先に対向している送電用コイル２の制御装置は信号を受信可能であるが、近傍に配置された受信装置１２の受信レベルが進行先の受信装置１２の受信レベルの比較により、通常は低くなった時点で送電用コイル２と電源装置１の切替え手段９は接続を切る。これにより、移動走行体８は、進行先の送電用コイル２と先に対向している送電用コイル２の間に跨るように対向していても、一方の送電用コイル２と磁界による共振結合を継続して保ち、電力を安定に供給されることが可能となる。

このようにして、切替え手段９は、各々の送電用コイル２と電源装置１の接続を切り替える。

このとき、移動走行体８に設けられた受電用コイル４は、長尺方向に沿って複数設けられた送電用コイル２の何れかと対向することにより、磁界による共振結合を持続して保ち、電用コイル２と受電用コイル４の間の磁気の結合係数は広い範囲でほぼ一定になるため、送電用コイル２から受電用コイル４に電力を安定して供給できる時間を大幅に増やすことが可能となる。

また、切替え手段９により移動走行体８に設けられた受電用コイル４に対向する位置の送電用コイル２に電源装置１との接続を切替えているため、電源装置１が供給に使用する電力の浪費を防いで、送電用コイル２から受電用コイル４に電力を供給して移動走行体８への充電を行うことを可能とする。

以上、この実施の形態２において、長尺方向に沿って複数設けられた送電用コイル２と、送電用コイル２に対向して移動する受電用コイル４が設けられた移動走行体８を備えて構成されている。そのため、移動走行体８に設けられた受電用コイル４が移動経路に設けられた各送電用コイル２の何れかに対向することにより、磁界による共振結合を持続して保ち、送電用コイル２と受電用コイル４の間の磁気の結合係数は広い範囲でほぼ一定になる。これにより、送電用コイル２から受電用コイル４に安定して電力を供給することができる時間を大幅に増やすことが可能となり、移動走行体８を高効率で充電することが可能となる。そのため、移動走行体８を移動させる駆動源に安定して電力を供給するために移動走行体８に搭載される電源回路及び蓄電装置１０の体積及び重量を軽減することができ、移動走行体８の走行安定性等が得られる。

なお、本発明の非接触電力伝送装置は、上記実施の形態１では車両３の充電に用いられ、上記実施の形態２では移動走行体８の充電に用いられているが、これに限らず、工業用ロボット等の駆動する大型の電子製品、及び掃除機等の小型の電子製品の非接触充電に用いられてもよい。

また、上記各実施の形態は本発明の例示であり、本発明が上記各実施の形態のみに限定されることを意味するものではないことは、いうまでもない。

１・・・電源装置
２・・・送電用コイル
２ａ・・・送電用コイルの両端付近部分
２ｂ・・・送電用コイルの中央付近部分
２Ｃ・・・送電用コイルの中心線
３・・・電動車両
４・・・受電用コイル
４Ｃ・・・送電用コイルの中心線
５・・・コア（送電用コイル用）
６・・・電線
７・・・コア（受電用コイル用）
８・・・移動走行体
９・・・切替え手段
１０・・・蓄電装置
１１・・・発信装置
１２・・・受信装置
１３・・・位置検出装置
１００・・・非接触電力伝送装置（車両用）
２００・・・非接触電力伝送装置（移動走行体用）
Ｌ・・・送電用コイルの中心線から受電用コイルの中心線までの距離

Claims (5)

1. 電源から送電用コイルを介して、送電用コイルに対向した受電用コイルに非接触で電力を供給する非接触電力伝送装置であって、
   前記送電用コイルが長尺のコアと、前記長尺のコアに巻回された電線を備え、
   前記受電用コイルがコアと、前記コアに巻回された電線を備え、
   前記送電用コイルと前記受電用コイルが長尺方向で位置ずれしても、磁気の結合係数の値がほぼ一定となるように、
   前記送電用コイルの長尺方向において中央付近部分より両端付近部分の電線の巻き幅が密になるように、電線が巻回されることを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記送電用コイルの長尺方向の長さが前記受電用コイルの長尺方向の長さより長いことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記送電用コイルは電源装置の前方側に設けられ、
   前記受電用コイルは前記送電用コイルに対向して、車両の前方に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記送電用コイルが長尺方向に沿って複数設けられ、
   前記受電用コイルが前記送電用コイルの長尺方向に沿って移動する移動走行体に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記受電用コイルに電力を供給する各々の前記送電用コイルに、前記受電用コイルの移動に応じて電源装置の電源の接続を切り替えるための切替え手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。

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